本發(fā)明涉及一種制備三維介觀器件的方法。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種利用金屬玻璃材料在低能量密度脈沖激光輻照條件下制備三維功能性介觀(微納米尺度)器件的方法。

背景技術(shù)：

介觀物理學(xué)是物理學(xué)中一個(gè)新的分支學(xué)科，近來(lái)常常在凝聚態(tài)物理學(xué)中被提到。“介觀(mesoscopic)”這個(gè)詞匯是由vankampen于1981年所創(chuàng)，指的是介乎于微觀和宏觀尺度之間的體系。一般說(shuō)來(lái)，介觀體系的尺度在納米和毫米之間。處于介觀尺度的物體在尺寸上已是宏觀的，因而具有宏觀體系的特點(diǎn)；但是由于其中電子運(yùn)動(dòng)的相干性，會(huì)出現(xiàn)一系列新的與量子力學(xué)相位相聯(lián)系的干涉現(xiàn)象,這又與微觀體系相似，故稱“介觀”。

由于越來(lái)越被廣泛地應(yīng)用在各種微納米系統(tǒng)技術(shù)中，諸如生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、微機(jī)電組件、光學(xué)以及光電子學(xué)器件、超穎材料、微電子通訊器件以及各種能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換器件等，三維功能性介觀器件的制備原理和生產(chǎn)工藝日益受到基礎(chǔ)科研和工業(yè)界的關(guān)注?，F(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種各樣的生產(chǎn)工藝用來(lái)實(shí)現(xiàn)三維介觀結(jié)構(gòu)的制備，例如：半導(dǎo)體器件制備中的光刻技術(shù)、體工藝中的化學(xué)/電化學(xué)/等離子/激光腐蝕刻蝕技術(shù)、納米顆粒制備中的模板生長(zhǎng)技術(shù)等等。這些工藝的基本原理是：依靠流體噴嘴技術(shù)光柵式掃描成型或某些波段光的聚焦光束刻蝕成型技術(shù)，將那些可以配制成油墨或可以通過(guò)暴露圖案而與光或其他輻射光源反應(yīng)的物質(zhì)，例如：液態(tài)光敏樹(shù)脂材料、熔融的塑料絲或者硅片，加工成所需的三維結(jié)構(gòu)。盡管這些技術(shù)在設(shè)計(jì)上提供了很大的通用性，但是，這些技術(shù)在原料方面有局限性，只能利用那些特定類型的材料，而不能利用相應(yīng)的物質(zhì)直接沉積或者轉(zhuǎn)變成三維介觀結(jié)構(gòu)。

因此，能否采用一種簡(jiǎn)單且便于工業(yè)化的工藝將多種不同的物質(zhì)集合成為單一的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，是三維功能性介觀器件未來(lái)面臨的一大挑戰(zhàn)。

同時(shí)，由于目前大多數(shù)制備技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中都是串行生產(chǎn)線的流程，各個(gè)生產(chǎn)步驟必須是在上一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)完成后才能進(jìn)行下一個(gè)環(huán)節(jié)，這就大大增加了介觀器件的制備耗時(shí)和總體的生產(chǎn)面積，而且一旦其中一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題后，整個(gè)生產(chǎn)流程都會(huì)中斷，這就成為大規(guī)模生產(chǎn)的障礙。因此，尋找新型的制備三維介觀器件的方法，且基于此方法可以避免前述問(wèn)題的新的生產(chǎn)流程，就變得越來(lái)越迫切。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種制備三維介觀器件的方法，其通過(guò)直接利用微納米尺度的金屬玻璃材料進(jìn)行加工而獲得三維功能性介觀器件，本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單易行且便于工業(yè)化。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，本發(fā)明提供的制備三維介觀器件的方法，包括如下步驟：

(1)制備微納米尺度的金屬玻璃條帶或者金屬玻璃纖維；

(2)提供固定形狀模具；

(3)將所述的微納米尺度的金屬玻璃條帶或者金屬玻璃纖維借助所述的固定形狀模具進(jìn)行彈性折疊而形成所需的三維形狀，并固定；

(4)將固定好的金屬玻璃條帶或者金屬玻璃纖維連同所述的固定形狀模具放到激光或者等離子輻照室內(nèi)，并固定到可(360度)旋轉(zhuǎn)的支撐架上；

通過(guò)控制激光或者等離子體的能量密度、輻照時(shí)間以及所述可旋轉(zhuǎn)的支撐架的旋轉(zhuǎn)速度，使所述金屬玻璃條帶或者金屬玻璃纖維經(jīng)彈性折疊而成的三維形狀發(fā)生快速地結(jié)構(gòu)弛豫，以完成所述三維形狀的快速定型；

(5)從激光或者等離子輻照室內(nèi)取出固定有所述金屬玻璃條帶或者金屬玻璃纖維的固定形狀模具，從所述固定形狀模具上取下所述金屬玻璃條帶或者金屬玻璃纖維，即得到所需三維形狀的三維介觀器件。

在本發(fā)明的實(shí)施方式中，金屬玻璃條帶或者金屬玻璃纖維可以是可制備成一維金屬玻璃纖維或者二維金屬玻璃條帶的各種金屬玻璃體系和成分，金屬玻璃纖維的形狀可以是圓柱狀或者截面是三角形的立體柱狀等的各種纖維形狀。

在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述固定形狀模具為尺寸在微米至毫米(1μm-1mm)的圓柱或者圓錐；所述固定形狀模具的材質(zhì)可以是不銹鋼、鈦鋼、鈦合金、鋁合金、或者耐高溫塑料，諸如聚苯基硫醚等。

在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述步驟(3)中，采用彎曲、纏繞、堆疊、卷曲等方式，將所述的微納米尺度的金屬玻璃條帶或者金屬玻璃纖維進(jìn)行彈性折疊；

在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述步驟(3)中，用耐高溫粘結(jié)劑(如銀膠、高溫膠等)或者機(jī)械卡具，將所述的微納米尺度的金屬玻璃條帶或者金屬玻璃纖維進(jìn)行固定；

在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所述步驟(5)還包括：當(dāng)所述金屬玻璃條帶或者金屬玻璃纖維的三維形狀完成結(jié)構(gòu)弛豫而定型后，關(guān)閉能量光源；取出固定有所述金屬玻璃條帶或者金屬玻璃纖維的固定形狀模具，去除粘結(jié)劑(如銀膠、高溫膠等)或機(jī)械卡具。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)本發(fā)明提供的制備方法擺脫了現(xiàn)有三維介觀結(jié)構(gòu)加工方法所受的對(duì)器件形狀的限制，可以進(jìn)行各種復(fù)雜形狀金屬玻璃微納米結(jié)構(gòu)的加工。

具體而言，本發(fā)明提供的制備方法是基于金屬玻璃(非晶態(tài)合金)進(jìn)行的。由于金屬玻璃的微觀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程無(wú)序性和金屬價(jià)鍵特點(diǎn)，具有極其優(yōu)越的力學(xué)和物理屬性，例如，超高彈性極限、超高強(qiáng)度、超高硬度、良好的耐腐蝕和耐摩擦屬性以及特有的熱塑成型能力。這些優(yōu)點(diǎn)使得金屬玻璃成為微納米器件特別是微機(jī)電器件的優(yōu)越的潛在材料之一。

事實(shí)上，目前已利用金屬玻璃制備微納米器件，例如：微機(jī)械加工技術(shù)；熱塑成型技術(shù)，如熱壓縮、熱擠出、熱軋成型、吹塑成型等；利用超快激光選擇性熔覆金屬玻璃粉末的三維打印技術(shù)；傳統(tǒng)的激光表面刻蝕技術(shù)等。但是，上述這些技術(shù)現(xiàn)在還不成熟，面臨著基礎(chǔ)科研的困境(微觀結(jié)構(gòu)上的未知以及結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系未知)和生產(chǎn)上各種技術(shù)難關(guān)，因此目前已制備出的三維介觀結(jié)構(gòu)的性能相對(duì)于塊體非晶合金的性能均有所下降。

而本發(fā)明僅是利用了金屬玻璃具有優(yōu)異的彈性性質(zhì)，特別是在微納米尺度上，金屬玻璃的尺寸效應(yīng)使得彈性性質(zhì)進(jìn)一步提升，因此，可以像折紙一樣把微納米尺度的金屬玻璃原材料定型成所需的各種形狀，從而避免了傳統(tǒng)的微機(jī)械加工所面臨的如何調(diào)和金屬玻璃的力學(xué)性質(zhì)和加工設(shè)備的性能匹配度的問(wèn)題、激光三維打印技術(shù)中所面臨的精確控制激光參數(shù)與器件的性能的問(wèn)題、熱塑成型技術(shù)中所面臨的金屬玻璃的熱穩(wěn)定性問(wèn)題、以及傳統(tǒng)的激光刻蝕所面臨的激光熱效應(yīng)引發(fā)的性能改變問(wèn)題。

(2)本發(fā)明提供的制備方法能使所制備的介觀器件保持金屬玻璃的優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，如高強(qiáng)度，高彈性，低內(nèi)耗等，這完全不同于傳統(tǒng)金屬材料和非金屬材料加工制作的微納米器件。并且，本發(fā)明通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化激光或者等離子體能量密度、輻照時(shí)間以及旋轉(zhuǎn)速度角度等參數(shù)，甚至可以使制備出的三維介觀結(jié)構(gòu)比塊體金屬玻璃的物理性質(zhì)還要優(yōu)越，這個(gè)過(guò)程是完全可控的。

(3)本發(fā)明提供的制備方法是利用微納米尺度的金屬玻璃材料直接加工三維介觀結(jié)構(gòu)的新方法，可規(guī)避傳統(tǒng)制備工藝過(guò)程的串行弱點(diǎn)，可以進(jìn)行大規(guī)模的并行制備微納米器件，尤其適合大批量的并行生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備微尺度彈簧的圓柱形形狀模具；

圖2采用30微米直徑鈀基金屬玻璃纖維制備直徑為300微米的微尺度彈簧的彈性彎曲變形示意圖；

圖3為金屬玻璃器件激光輻照加工系統(tǒng)示意圖；

圖4為采用實(shí)施例1制備的鈀基金屬玻璃微尺度彈簧的掃描電子顯電鏡(sem)圖片；

圖5為2mm直徑鈀基金屬玻璃棒材、30微米直徑相同成分的鈀基金屬玻璃纖維和實(shí)施例1制備的鈀基金屬玻璃微尺度彈簧的x射線衍射對(duì)比圖；

圖6為30微米直徑鈀基金屬玻璃纖維和實(shí)施例1制備的鈀基金屬玻璃微尺度彈簧的差示掃描量熱(dsc)曲線的對(duì)比圖；

圖7為30微米直徑鈀基金屬玻璃纖維和實(shí)施例1制備的鈀基金屬玻璃微尺度彈簧的納米壓痕的載荷與壓頭壓入深度的關(guān)系曲線對(duì)比圖；

圖8為30微米直徑鈀基金屬玻璃纖維和實(shí)施例1制備的鈀基金屬玻璃微尺度彈簧的納米壓痕的彈性模量與壓頭壓入深度的關(guān)系曲線對(duì)比圖；

圖9為30微米直徑鈀基金屬玻璃纖維和實(shí)施例1制備的鈀基金屬玻璃微尺度彈簧的納米壓痕的硬度與壓頭壓入深度的關(guān)系曲線對(duì)比圖；

圖10為實(shí)施例2制備的鎂基金屬玻璃微尺度彈簧和實(shí)施例3制備的鋯基金屬玻璃微尺度彈簧的掃描電子顯電鏡(sem)圖片；

圖11為實(shí)施例2制備的鎂基金屬玻璃微尺度彈簧和實(shí)施例3制備的鋯基金屬玻璃微尺度彈簧的x射線衍射圖；

圖12為實(shí)施例2制備的鎂基金屬玻璃微尺度彈簧和實(shí)施例3制備的鋯基金屬玻璃微尺度彈簧的差示掃描量熱(dsc)曲線圖；

圖13為實(shí)施例2制備的鎂基金屬玻璃微尺度彈簧和實(shí)施例3制備的鋯基金屬玻璃微尺度彈簧的納米壓痕的彈性模量與壓頭壓入深度的關(guān)系曲線圖；

圖14為實(shí)施例2制備的鎂基金屬玻璃微尺度彈簧和實(shí)施例3制備的鋯基金屬玻璃微尺度彈簧的納米壓痕的硬度與壓頭壓入深度的關(guān)系曲線圖；

其中，附圖標(biāo)記：

1輻照光源系統(tǒng)2樣品支撐控制系統(tǒng)

3激光能量密度檢測(cè)系統(tǒng)4旋轉(zhuǎn)平臺(tái)

5樣品6平臺(tái)支撐桿系統(tǒng)

7信號(hào)輸入輸出系統(tǒng)8信號(hào)輸入輸出系統(tǒng)

9惰性氣體系統(tǒng)10真空系統(tǒng)

11圓柱形的固定形狀模具12機(jī)械卡具。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，以制備微尺度(彈簧直徑小于1mm)彈簧為例，對(duì)本發(fā)明制備三維介觀器件的方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1、利用直徑為30微米的pd40ni10cu30p20金屬玻璃纖維制備外直徑為300微米的微彈簧

1、制備所需直徑的鈀(pd)基金屬玻璃纖維：采用在過(guò)冷液相區(qū)，將直徑為1毫米的鈀基金屬(原子百分比是pd40ni10cu30p20)玻璃棒進(jìn)行熱塑性拉伸，制得直徑在30微米左右的pd基金屬玻璃纖維。

2、提供一圓柱形的固定形狀模具，如圖1所示，該固定形狀模具11為直徑為240微米、長(zhǎng)度為30毫米的圓柱形不銹鋼柱，兩端附有匹配的機(jī)械卡具12。

3、將步驟1中制備的30微米直徑的pd基金屬玻璃纖維借助步驟2中的圓柱形的固定形狀模具11進(jìn)行彈性纏繞，而在該圓柱形的模具11的表面形成所需的三維微尺度彈簧結(jié)構(gòu)，并用機(jī)械卡具12固定。

用掃描電子顯微鏡(sem)進(jìn)行觀測(cè)，如圖4所示，所形成的微尺度彈簧的外直徑為300微米左右，節(jié)點(diǎn)間距離為130微米左右。

對(duì)該微尺度彈簧的各個(gè)部分所受的彈性變形應(yīng)變計(jì)算如下：

如圖2所示，d為pd基金屬玻璃纖維的直徑，l為pd基金屬玻璃纖維的長(zhǎng)度，r為所形成的微尺度彈簧的內(nèi)半徑(與圓柱形的固定形狀模具11的半徑相同)，θ為pd基金屬玻璃纖維的彎曲角度。

假設(shè)最外表層彎曲應(yīng)變?yōu)棣拧?，根?jù)幾何關(guān)系可得：

l＝(r+d/2)θ

l+ε’＝(r+d)θ

因此，ε’＝(ld/2)/(r+d/2)。

考慮到d遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于r，因此，ε’＝ld/2r，實(shí)際的彎曲應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ε＝ε’/l＝d/2r(1).

將pd基金屬玻璃纖維和所形成的微尺度彈簧的尺寸數(shù)據(jù)帶入上面的公式(1)可得，pd基金屬玻璃纖維的彎曲應(yīng)變大約為10％。

這一數(shù)值在金屬玻璃纖維的彎曲彈性應(yīng)變的極限范圍之內(nèi)，因此，上述pd基金屬玻璃纖維的彈性彎曲纏繞過(guò)程理論上不會(huì)發(fā)生塑性變形以及剪切帶的產(chǎn)生。

4、將固定好的pd基金屬玻璃纖維5連同所述的固定形狀模具11放到激光脈沖輻照系統(tǒng)的輻照腔室內(nèi)，并固定到可360度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4上。通過(guò)控制激光的能量密度、輻照時(shí)間以及所述旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度，使所述pd基金屬玻璃纖維經(jīng)彈性折疊而成的三維形狀發(fā)生快速地結(jié)構(gòu)弛豫，以完成所述三維形狀的快速定型。

如圖3所示，該激光脈沖輻照系統(tǒng)包括輻照腔室和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

所述輻照腔室包括：輻照光源系統(tǒng)1、樣品支撐控制系統(tǒng)2(可以調(diào)節(jié)高度、角度和旋轉(zhuǎn)度，保證器件的各個(gè)部分都受到均勻輻照)、激光能量密度檢測(cè)系統(tǒng)3(用以反饋樣品臺(tái)表面的激光光源能量密度信息)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4、樣品5、平臺(tái)支撐桿系統(tǒng)6(可以調(diào)節(jié)高度角度，與樣品支撐控制系統(tǒng)2一起保證樣品接受激光輻照的均勻性)。所述輻照腔室還包括：信號(hào)輸入輸出系統(tǒng)7，用于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4的信號(hào)的輸入輸出線路、信號(hào)輸入輸出系統(tǒng)8，用于輻照光源系統(tǒng)1的信號(hào)的輸入輸出線路、惰性氣體系統(tǒng)9(包括開(kāi)關(guān)閥門和一瓶ar氣罐，用以充氣打開(kāi)腔室取出放入樣品)和真空系統(tǒng)10(包括一臺(tái)機(jī)械泵和一臺(tái)分子泵，保證在輻照過(guò)程中腔室的真空度保持在10^-5pa)。

所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括：一臺(tái)計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)包括一信號(hào)發(fā)生模塊和一信號(hào)采集模塊；一個(gè)輸入端與信號(hào)發(fā)生模塊電連接的功率放大器；一個(gè)與功率放大器輸出端電連接的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，該信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊機(jī)向計(jì)算機(jī)的信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)反饋激光的能量密度信號(hào)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4和樣品支撐控制系統(tǒng)2以及平臺(tái)支撐桿系統(tǒng)6的位置信號(hào)。

本實(shí)例中所采用的納秒脈沖激光器是quantaraypro，spectra-physics公司的yag激光系統(tǒng)，波長(zhǎng)532nm，脈沖寬度20ns，峰值能量1j，激光光束能量分布呈高斯型分布，且可通過(guò)采用光學(xué)透鏡組設(shè)計(jì)可以控制光束的面積，以使其覆蓋三維介觀結(jié)構(gòu)和形狀模具進(jìn)行輻照處理。

輻照過(guò)程的具體步驟為：將固定好的pd基金屬玻璃纖維5連同所述的固定形狀模具11放到激光脈沖輻照系統(tǒng)的輻照腔室中的樣品支撐控制系統(tǒng)2，關(guān)閉腔室門，開(kāi)啟真空系統(tǒng)10對(duì)腔室進(jìn)行抽取真空。當(dāng)腔室真空度達(dá)到10^-5pa時(shí)，開(kāi)啟激光光源1，采用低密度激光對(duì)利用彈性變形固定形狀的pd基金屬玻璃纖維的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行輻照。在輻照過(guò)程中，通過(guò)激光能量密度檢測(cè)系統(tǒng)3實(shí)時(shí)監(jiān)控激光的能量密度，根據(jù)反饋的能量密度信息調(diào)控激光光源系統(tǒng)1和樣品支撐控制系統(tǒng)2以及平臺(tái)支撐桿系統(tǒng)6，使樣品5接受均勻輻照。

在本實(shí)例中，所采用輻照的納秒脈沖激光的功率密度為3.8×10¹¹j/(m²s)，相對(duì)于進(jìn)行激光精細(xì)切割和表面刻蝕的能量密度(功率密度一般為10¹⁵-10¹⁷j/(m²s))，本實(shí)例采用的激光能量密度應(yīng)屬于低能量密度。不同體系的金屬玻璃所采用的激光功率密度也相應(yīng)的不同。

在本實(shí)例中，20分鐘后，輻照完成。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，輻照時(shí)間根據(jù)激光能量密度的變化而變化，激光能量密度越大，輻照時(shí)間越短。

納秒脈沖激光輻照使發(fā)生彈性變形的金屬玻璃纖維快速固型的基本原理為：發(fā)生彈性變形的金屬玻璃纖維在撤去固定的卡具后，由于具有優(yōu)異的彈性和低內(nèi)耗屬性基本不會(huì)損失彈性能量而會(huì)完全恢復(fù)為原來(lái)的形狀，因此，彈性固定形狀的金屬玻璃纖維會(huì)存儲(chǔ)有一定的彈性形變能。在該形變能的驅(qū)動(dòng)下，金屬玻璃這種亞穩(wěn)態(tài)材料一般會(huì)發(fā)生緩慢的結(jié)構(gòu)弛豫，以激發(fā)內(nèi)部潛在流動(dòng)單元的形式耗散彈性形變能而不像發(fā)生塑性變形過(guò)程中以形成剪切帶的形式耗散能量，但是，這個(gè)過(guò)程一般會(huì)經(jīng)歷很長(zhǎng)的時(shí)間，不能用來(lái)制備介觀器件。在激光或者等離子體等輻射光源的激勵(lì)下，金屬玻璃內(nèi)部的擴(kuò)散過(guò)程速度會(huì)成幾何倍數(shù)提高，結(jié)構(gòu)弛豫會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速完成，這會(huì)使得上面所述的激發(fā)內(nèi)部潛在流動(dòng)單元的形式耗散彈性形變能的過(guò)程的速度提高很多倍，因此，這個(gè)在激光等輻射光源輻照下金屬玻璃結(jié)構(gòu)弛豫加快的過(guò)程為發(fā)生彈性變形的三維介觀結(jié)構(gòu)的快速固型提供了基本的物理機(jī)理。

5、等待半小時(shí)后，開(kāi)啟惰性氣體系統(tǒng)10，充入ar氣，打開(kāi)腔室門，從激光輻照室內(nèi)取出固定有所述pd基金屬玻璃纖維的固定形狀模具。去除機(jī)械卡具12和固定形狀模具11，得到三維介觀尺度的pd基金屬玻璃微尺度彈簧。

利用各種結(jié)構(gòu)和性能表征手段對(duì)實(shí)施例1所制備的三維介觀尺度的pd基金屬玻璃微尺度彈簧進(jìn)行表征

1、用掃描電子顯微鏡(sem)觀測(cè)制備好的pd基金屬玻璃微尺度彈簧的尺寸和形狀參數(shù)。如圖4所示，由彈性很好的30微米直徑的pd基金屬玻璃纖維制成的微尺度彈簧的外直徑為300微米左右，節(jié)點(diǎn)間距離為130微米左右。從圖中可以看出，金屬玻璃微尺度彈簧表面沒(méi)有明顯的剪切帶出現(xiàn)，這說(shuō)明本發(fā)明制備金屬玻璃微尺度彈簧的方法不是通過(guò)傳統(tǒng)的塑性變形的方式得到微尺度彈簧。

2、用x射線衍射方法驗(yàn)證所制備出pd基金屬玻璃微尺度彈簧的非晶態(tài)屬性。由圖5可知，2毫米直徑的pd基非晶態(tài)棒材、30微米的pd基非晶態(tài)金屬玻璃纖維以及由該pd基金屬玻璃纖維在激光輻照下纏繞而成的微尺度彈簧在xrd曲線上都只呈現(xiàn)出單一的一個(gè)漫散射峰，說(shuō)明經(jīng)過(guò)激光輻射后，pd基金屬玻璃微尺度彈簧仍保持著完全非晶態(tài)的本征屬性。

3、用差示掃描量熱儀(dsc)檢測(cè)所制備出的pd基金屬玻微尺度彈簧的熱學(xué)性質(zhì)。如圖6所示的差示掃描量熱(dsc)曲線，反應(yīng)出典型的非晶態(tài)物質(zhì)的玻璃化轉(zhuǎn)變和晶化過(guò)程。由圖6可知，30微米的非晶態(tài)金屬玻璃纖維和制備后的微尺度彈簧熱學(xué)性質(zhì)基本相同：玻璃轉(zhuǎn)變的起始溫度都在560k附近；起始晶化溫度稍有不同，30微米的非晶態(tài)金屬玻璃纖維起始晶化溫度在649k附近，而制備的微尺度彈簧則為654k，提高了5k左右；過(guò)冷液相區(qū)的寬度也由89k增加到94k，說(shuō)明該微尺度彈簧的熱穩(wěn)定性相對(duì)比于輻照前的金屬玻璃纖維提升了很多。由于納秒脈沖激光的快速加熱快速冷卻的優(yōu)點(diǎn)，可以消除金屬玻璃內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不均勻性，大大減少了形成初始晶核的可能性，提升了微納米器件的抗晶化能力和熱穩(wěn)定性，這是本發(fā)明制備微納米器件的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。

4、用納米壓痕儀(nanoindenter)檢測(cè)所制備出的微尺度彈簧的力學(xué)屬性，包括載荷、彈性模量和硬度隨壓頭壓入深度的演化，如圖7、圖8和圖9所示。對(duì)于近一維金屬玻璃纖維來(lái)說(shuō)，很難用測(cè)塊體金屬玻璃彈性屬性的超聲共振的方法來(lái)探測(cè)纖維的彈性屬性，本實(shí)例用納米壓痕的試驗(yàn)方法來(lái)探測(cè)微尺度彈簧的彈性屬性。圖7給出了納米壓頭壓入深度與載荷的關(guān)系，由曲線可知，金屬玻璃纖維與微尺度彈簧的載荷-壓入深度曲線基本相同，隨壓頭壓入深度的增加，載荷也相應(yīng)的增加。由該曲線出發(fā)，根據(jù)已有的力學(xué)模型可以得到彈性模量和硬度與納米壓頭壓入深度的關(guān)系。從圖8和圖9可知，金屬玻璃纖維與微尺度彈簧的彈性模量和硬度隨壓頭壓入深度的增加也呈現(xiàn)出相同的演化趨勢(shì)，在400納米深度處，彈性模量和硬度分別為88gpa和6.9gpa左右。這些結(jié)果說(shuō)明了激光輻照對(duì)金屬玻璃纖維的彈性性質(zhì)影響比較小，微尺度彈簧基本上保持了金屬玻璃纖維優(yōu)異的彈性力學(xué)屬性。

實(shí)施例2、利用直徑為10微米的mg65cu25gd10金屬玻璃纖維制備外直徑為100微米的微尺度彈簧

本實(shí)例的方法和步驟與實(shí)施例1基本上相同。

制備鎂基金屬玻璃微尺度彈簧時(shí)，所采用輻照的納秒脈沖激光的功率密度為2.75×10¹¹j/(m²s)，輻照時(shí)間為20分鐘。

用掃描電子顯微鏡(sem)觀測(cè)制備好的鎂基金屬玻璃微尺度彈簧的尺寸和形狀參數(shù)。如圖10所示，由彈性很好的10微米直徑的mg基金屬玻璃纖維制成的微尺度彈簧的外直徑為100微米左右，節(jié)點(diǎn)間距離為46.5微米左右。從圖中可以看出，金屬玻璃微尺度彈簧表面沒(méi)有明顯的剪切帶出現(xiàn)，這說(shuō)明本發(fā)明制備金屬玻璃微尺度彈簧的方法不是通過(guò)傳統(tǒng)的塑性變形的方式得到微尺度彈簧。

如圖11所示，x射線衍射顯示出該微尺度彈簧具有完全的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。由圖12所示的dsc曲線可以看出，該微尺度彈簧存在著明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(406k)、起始晶化溫度(493k)及較寬的過(guò)冷液相區(qū)(87k)。圖13和圖14展示了該鎂基微尺度彈簧的彈性性質(zhì)(48.9gpa)和硬度屬性(4.2gpa)，可見(jiàn)，由本發(fā)明制備出的鎂基金屬玻璃微尺度彈簧具有優(yōu)異的彈性力學(xué)屬性。

實(shí)施例3、利用直徑為40微米的zr52.5ti5al10cu17.9ni14.6金屬玻璃纖維制備外直徑為380微米的微尺度彈簧

本實(shí)例的方法和步驟與實(shí)施例1基本上相同。

制備鋯基金屬玻璃微尺度彈簧時(shí)，所采用輻照的納秒脈沖激光的功率密度為4.55×10¹¹j/(m²s)，輻照時(shí)間為20分鐘。

用掃描電子顯微鏡(sem)觀測(cè)制備好的鋯基金屬玻璃微尺度彈簧的尺寸和形狀參數(shù)。如圖10所示，由彈性很好的40微米直徑的zr基金屬玻璃纖維制成的微尺度彈簧的外直徑為380微米左右，節(jié)點(diǎn)間距離為131.1微米左右。從圖中可以看出，金屬玻璃微尺度彈簧表面沒(méi)有明顯的剪切帶出現(xiàn)，這說(shuō)明本發(fā)明制備金屬玻璃微尺度彈簧的方法不是通過(guò)傳統(tǒng)的塑性變形的方式得到微尺度彈簧。

如圖11所示，x射線衍射顯示出該微尺度彈簧具有完全的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。由圖12所示的dsc曲線可以看出，該微尺度彈簧存在著明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(671k)、起始晶化溫度(747k)及較寬的過(guò)冷液相區(qū)(76k)。圖13和圖14展示了該鎂基微尺度彈簧的彈性性質(zhì)(83.5gpa)和硬度屬性(6.57gpa)，可見(jiàn)，由本發(fā)明制備出的鎬基金屬玻璃微尺度彈簧具有優(yōu)異的的彈性力學(xué)屬性。

將上述實(shí)施例1-3制備的鈀基、鎂基和鋯基金屬玻璃微彈簧的激光輻照參數(shù)、非晶本質(zhì)檢驗(yàn)、熱學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)列于表1中。

表1

本發(fā)明通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：在不同能量密度激光或者等離子體輻照條件下，金屬玻璃樣品的性質(zhì)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生演化；但，在一個(gè)特定的激光或者等離子體能量密度條件下，將微納米尺度的金屬玻璃樣品采用纏繞、彈性壓縮、彎曲等彈性變形方式固定成三維構(gòu)型，該構(gòu)型會(huì)隨著時(shí)間推移發(fā)生快速地結(jié)構(gòu)弛豫，而當(dāng)達(dá)到一個(gè)臨界時(shí)間時(shí)，撤去外加激光和等離子體光源后，該構(gòu)型會(huì)固定下來(lái)并不隨著時(shí)間推移而改變，同時(shí)會(huì)保持甚至提升金屬玻璃優(yōu)異的力學(xué)和物理屬性。利用這一原理，本發(fā)明提供了一種直接利用微納米尺度的金屬玻璃材料進(jìn)行加工而獲得三維功能性介觀器件的方法，這一制備三維介觀結(jié)構(gòu)的激光輻照加工方法適用于可以采用彈性彎折得到的各種微納米尺度結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單易行且便于工業(yè)化。