一种大面积平行取向十次准晶近似相微米管的制备方法

摘要

一种大面积平行取向十次准晶近似相微米管的制备方法，属于金属材料领域。本发明采用真空感应熔炼法制备出等原子比Al20Si20Mn20Fe20Ga20合金铸锭，随后在真空单辊铜轮甩带设备中感应加热熔化，制备出合金薄带，在所述薄带自由面得到大面积平行取向Al18.8Si20.6Mn22.7Fe26.6Ga11.3准晶近似相微米管。此外，通过纳米压痕法测得该微米管具有较佳的硬度‑杨氏模量组合，分别达到10.9Gpa、189.3Gpa，表现出较为优异的力学性能。本发明的优点在于首次制备出大面积平行取向十次准晶近似相微米管，制备方法简单易行，周期短，易量产，为大规模制备准晶相关管状材料提供了有效途径。该微米管集合了准晶、高熵合金以及微纳尺寸的特性，对发展其潜在的应用具有重要的价值。

说明书

技术领域

本发明涉及高熵合金、准晶近似相和微米管制备技术领域，特别是涉及一种大面积平行取向十次准晶近似相微米管的制备方法。

技术背景

自1991年Iijima报道了碳纳米管以来，这种具有中空结构的一维管状材料因其独特的结构，良好的强度和比表面积，令人羡慕的光学、电学特性以及传输性而受到广泛的研究，在生物医药输送、能量存储、传感器材料、场发射材料、储氢材料和催化等方面有重要的应用。但是纳米管的内径小，生长过程易被其他物质堵塞，内壁和内部空腔得不到充分有效利用，降低了纳米管的实际应用价值。因而，直径在1～10μm之间，具有单分散性、化学稳定、空腔尺寸大的微米管，受到了研究者的广泛关注。

近年来，利用直接气相沉积法、金属辅助催化法、热溶液法、层状结构卷曲法以及模板辅助法等，研究人员成功制备了多种微米管类型：碳，金属(α-Fe、Pd、Se、Te等)，氧化物(ZnO、Al

具有高硬度、耐磨、抗氧化及特殊物理化学性质(光、电、磁声、热和功能转换等方面)的金属间化合物，可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢催化材料、磁性材料等。而当前，成功制备金属间化合物微米管的研究并不多。Puente等人采用镀钛镍丝互扩散制备了TiNi金属间化合物微米管，具有形状记忆和超弹性行为，但是制备工艺复杂、周期长。

准晶及准晶近似相是特殊类型的复杂金属间化合物，他们的管状结构鲜有发现，特别是直接在合金凝固过程中形成管状结构。因此，制备出大面积平行取向复杂金属间化合物微米管，并利用微米管的金属特性、小尺寸、平行取向等特点发展其潜在的应用，将会有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大面积平行取向十次准晶近似相微米管的制备方法。该方法成功的在Al

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种大面积平行取向十次准晶近似相微米管，是在真空感应电阻炉中熔炼出Al

所述的一种大面积平行取向十次准晶近似相微米管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)将高纯度99.99％Al、99.3％Si、99.9％Mn、99.9％Fe和99.9％Ga的原材料的表面进行抛光，去除氧化层和杂质，按照等原子比进行配料。随后，在氩气保护下的真空感应电阻炉中熔炼；熔化后在室温下冷却，得到Al

2)取熔炼好的铸锭，切成直径约1cm小块，放置在石英管中；利用真空单辊铜轮甩带设备感应加热熔化，制备出甩带合金薄带，其自由面分布着大面积平行取向十次准晶近似相微米管。

进一步地，步骤2)中，所述甩带用到的石英管，长度为15cm，内径为1.2cm，管口为扁口，扁口长度3mm，宽度0.3mm。

进一步地，步骤2)中，所述真空单辊铜轮甩带的工艺参数为：甩带速度：10m/s；保护气体：氩气；炉体压力：0.2Pa；喷包压力：0.02MPa。

进一步地，步骤2)中，所述甩带合金薄带，薄带的平均宽度为5mm，平均厚度为70μm。

进一步地，步骤2)中，所述甩带合金薄带，分为贴辊面和自由面，贴辊面和自由面的冷却速度不同，大面积平行取向十次准晶近似相微米管分布在自由面一侧。

进一步地，步骤2)中，所述十次准晶近似相微米管，微米管的平均长度、内、外直径分别为6.99μm、0.38μm、1.61μm。

本发明的优点在于：

1)制备的十次准晶近似相(复杂金属间化合物)微米管，面积大且具有平行取向。

2)制备方法简单易行，周期短，利于大批量生产。

3)制备的微米管具有优异的微纳尺度力学性能。

4)制得的微米管集合了准晶的热稳定性，表面独特的原子排列；高熵合金多元素调和的鸡尾酒效应；微纳尺度的小尺寸、量子、表面和界面四大效应；以及可控形状和平行取向赋予的构成大型三维阵列的能力，对发展其潜在的应用具有重要的价值。

附图说明

图1为实施例1中Al

图2为实施例1中Al

图3为实施例1中Al

图4为实施例1中Al

图5为实施例1中Al

图6为实施例1中Al

图7为实例1中10m/s甩带合金薄带中微米管的微纳尺度力学性能。

图8为不同甩带速度制备的合金薄带的XRD结果。5m/s，10m/s，25m/s。

图9为实例2中5m/s甩带合金薄带中微米管的扫描电镜形貌图。

图10为实例3中25m/s甩带合金薄带中微米管的扫描电镜形貌图。

具体实施方式

实施例1

1)将高纯度99.99％Al、99.3％Si、99.9％Mn、99.9％Fe和99.9％Ga的原材料的表面进行抛光，去除氧化层和杂质，按照等原子比进行配料。随后，在氩气保护下的真空感应电阻炉中熔炼；熔化后在室温下冷却，得到Al

2)取熔炼好的铸锭，切成直径为1cm小块，放置在石英管中；利用真空单辊铜轮甩带设备感应加热熔化，甩带速度为10m/s，制备出甩带合金薄带，其自由面分布着大面积平行取向十次准晶近似相微米管。

依上述方法在合金薄带自由面制备的十次准晶近似相微米管的扫描电镜形貌如图1所示。图2为合金薄带中微米管的截面扫描电镜图。结果显示，在高熵合金薄带的自由面，分布着大面积均匀平行取向微米级管状结构。微米管的孔洞贯穿整个微米管的中心，如图3所示。此外，如图4所示，微米管的形状大致分为四种类型：半弧形微米管(Type 1)；中空形微米管(Type 2)；两端螺旋形微米管(Type 3)；一端螺旋形微米管(Type 4)。这四种形态的微米管随机分布，共同构成了大面积平行取向微米管。利用image J软件统计了扫描电镜图片中1000个微米管的长度和内、外直径，其统计结果分别如图5(a)、(b)、(c)所示。结果表明，制得的微米管平均长度、内、外直径分别为6.99±2.56μm、0.38±0.13μm、1.61±0.42μm。

图6为Al

使用Nano Indenter II纳米压头对微米管进行了纳米压痕测试，每次压痕深度为200nm，泊松比为0.28。每个试样进行6次压痕实验，取平均值计算。图7为甩带合金薄带中微米管的微纳尺度力学性能图。图片左上角显示了微米管上的纳米压痕。由纳米力学载荷-位移曲线计算可知，该准晶近似相微米管硬度和杨氏模量分别达到10.9GPa、189.3Gpa，表现出较为优异的微纳尺度力学性能。

实施例2

本实施例2制备大面积平行取向十次准晶近似相微米管的方法与实施例1的区别仅在于，本实施例2步骤2)甩带速度为5m/s。

依实施例2所述方法制备的十次准晶近似相微米管的扫描电镜形貌如图9所示。结果表明，在合金薄带的自由面分布着微米级管状结构，与具体实施例1中发现的十次准晶近似相微米管相同。但与具体实施例1不同的是，具体实施例2制备的管状形态欠佳。而且，所制备的微米管面积范围小，这与图8中辊速为5m/s的合金薄带的十次准晶/近似相衍射峰峰强较弱相匹配。

实施例3

本实施例3制备大面积平行取向十次准晶近似相微米管的方法与实施例1的区别仅在于，本实施例3步骤2)甩带速度为25m/s。

依实施例3所述方法制备的十次准晶近似相微米管的扫描电镜形貌如图10所示。从图中可以看出在辊速为25m/s下制备的微米管形态较好，取向一致。这与具体实施例1中发现的十次准晶近似相微米管相同。图8中辊速为25m/s的合金薄带的十次准晶/近似相衍射峰峰强与10m/s相比，有所减弱，说明了甩带速度为25m/s时制备的微米管总量有所减少。

图8为具体实施例1、2、3制备的合金薄带的XRD对比图。结果表明，在辊速为5m/s和25m/s下制备的合金薄带的相组成与辊速为10m/s制备的合金薄带相同，都含有十次准晶近似相微米管。