[0001] 本发明属于功能性材料技术领域，具体涉及一种Zr基非晶合金及其制备方法和应用。

[0002] 随着科技的飞速发展，越来越多的科学研究聚焦于微型领域，设计和制造的产品尺寸也越来越小，甚至达到了微纳米尺度。当物体的尺寸达到微纳米级别后，其光学性能会发生明显改变，对光的吸收和传输等特性都会产生极大的影响。研究发现，表面微结构能够改善物体的辐射特性，显著提高对光的吸收率，可用作太阳能光伏板部件。此外，太阳能光伏板长期暴露在空气中，极易受到灰尘、雨雪等的侵蚀，因此，需具备防止污渍积聚、腐蚀、结垢等能力。受自然界中荷叶效应的启发，发现表面微结构能够有效改善材料的除污能力。基于此，在先进材料表面制备高效的功能性微结构具有重要的研究意义。

[0003] 微纳结构的加工已经有了较为成熟的方法，在一定范围内可以加工各种尺度和形状的结构。但是一方面，传统的制备技术如电火花加工(EDM)、激光加工、金刚石切割和活性离子刻蚀等可使用的材料范围是有限的，另一方面，加工耗时长、成本高、精度低，因此限制其大批量生产。探索开发适用于微纳结构的新材料及新型的制备技术成为了当下研究的关键问题。

[0004] 非晶合金具有短程有序，长程无序的特点，并且没有晶界、位错等缺陷。这就使得非晶合金有许多优异的性能，如高强度、高硬度、高弹性、耐磨性、电学性能、超导性等。因此，非晶合金在医疗、航空航天、船舶领域，特别是光学、电磁及涂层方面都有很大的应用潜力。在制备光学器件方面，与其他传统材料相比，非晶合金特有的较高的表面光洁度及反射率能够大幅提升光栅的表面质量和性能。此外，光学光栅需要精确的几何尺寸，从几十微米到纳米大小。而非晶合金在这种微观尺度范围内表现出优异的形成能力，其在过冷液相区内(玻璃化转变温度Tg～晶化温度Tx)具有超塑性及较低成型阻力，这使得通过二次加工实现非晶合金的净成型成为可能，也为在过冷液相区中利用非晶合金制备光栅提供了新的思路。

[0037] 下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0038] 实施例1

[0039] 一种化学组成为(Zr0.6336Cu0.1452Ni0.1012Al0.12)97.4Er2.6的Zr基非晶合金，经以下步骤制得：

[0040] S1：根据Zr基非晶合金的化学组成按比例投放金属原料，原料均采用各元素的高纯度金属；在熔炼过程中保持熔炼环境为纯度为99.99wt％的高纯氩气保护；将金属原料放入水冷铜坩埚磁悬浮熔炼炉中加热，开始时，每30s提升一次加热功率，每次提高0.1kW，缓慢加热至0.5kW，再以每30s提高0.5kW的频率进行加热，加热功率达到8kW时，保温1min，关闭加热开关停止加热，为确保合金成分的均匀性，熔炼过程进行三次；最后，关闭电源，通过水冷铜坩埚内部冷却水进行冷却，即得合金锭(即铸态Zr基非晶合金材料)。

[0041] S2：在步骤S1的水冷铜坩埚磁悬浮熔炼炉中放入压力阀及铜模具，采用铜模吸铸法制备Zr基非晶合金板材；利用铜模具吸铸样品前，需通过抽真空和充入纯度为99.99wt％的高纯氩气来调节压力差，根据吸铸板状试样尺寸，将压差调节至0.03MPa左右后关闭压力阀，重复熔炼开始时的操作步骤，当加热功率增加到8kW时，保温1min，然后每30s将功率下调0.5kW直至降低至6.5kW后，对铜模具进行预热，待功率降到6kW后，通过压力差将合金熔体快速吸入铜模具中，利用纯铜的高导热性能使模具内的熔体实现快速冷却；最后关闭电源，待铜模冷却后取出制备得到的尺寸为20×70×3mm的Zr基非晶合金板状试样。

[0042] S3：利用电火花线切割机及规格0.18mm的钼丝将Zr基非晶合金板材切割成Zr基非晶合金块状试样。

[0043] S4：对Zr基非晶合金块状试样进行整体打磨，去除表面的粗糙度和不均匀性；进行成形面的抛光，以确保试样表面光滑平整，用超声波清洗，即得。

[0044] 实施例2

[0045] 一种表面具有微米级凹槽阵列的Zr基非晶合金，其微米级凹槽阵列的深度为85μm，宽度为100μm，相邻两个凹槽之间的间距为100μm，经以下步骤制得：

[0046] S1：选择热作模具钢RM2作为模具材料，采用微型雕刻的方法在模具钢表面加工出微米级凹槽阵列结构，微米级凹槽阵列的深度为100μm，宽度为100μm，相邻两个凹槽之间的间距为100μm，微雕机工作参数：主轴转速为20000r/min，加工速度为6000mm/min，下刀速度为400mm/min，进刀量为0.005mm。

[0047] S2：将模具与Zr基非晶合金块状试样一起放置于模架中，将组装好的模架放置于高低温力学性能试验机(UTM5105SYXL)的加热室中，关闭加热室并抽至真空状态，通入纯度为99.99wt％的高纯氩气作为保护气体，进行热塑成形；成形过程的压印温度为430℃，压力‑1为400N，加工速率为0.001s 。

[0048] S3：将模具钢表面的微结构精密复制于Zr基非晶合金块状试样表面后，再将模具下降至气冷铜线圈处进行气冷，脱模，即得。

[0049] 实施例3

[0050] 一种表面具有微米级凹槽阵列的Zr基非晶合金，其微米级凹槽阵列的深度为93μm，宽度为100μm，相邻两个凹槽之间的间距为100μm；其制备方法与实施例2相比，将步骤S2中成形过程的压力调整为800N，其余条件不变。

[0051] 实施例4

[0052] 一种表面具有微米级凹槽阵列的Zr基非晶合金，其微米级凹槽阵列的深度为100μm，宽度为100μm，相邻两个凹槽之间的间距为100μm；其制备方法与实施例2相比，将步骤S2中成形过程的压力调整为1200N，其余条件不变。

[0053] 实验例

[0054] 1.将实施例1所制得的用于太阳能光伏板部件中的铸态Zr基非晶合金材料(Zr0.6336Cu0.1452Ni0.1012Al0.12)97.4Er2.6用电火花线切割机进行切割，制得用于热塑成形的非晶合金试样，利用XRD对制得的可用于太阳能光伏板部件中的铸态Zr基非晶合金材料(图中表示为As‑cast)进行分析，结果如图1所示，该用于太阳能光伏板部件中的非晶合金材料保持了完全非晶结构，适用于热塑性成形。

[0055] 2.实施例2～4所用的模具钢光镜图如图2所示，可以看出其表面具有微米级凹槽阵列，经检测凹槽阵列的深度为100μm，宽度为100μm，相邻两个凹槽之间的间距为100μm。

[0056] 3.对实施例2～4中热塑成形后表面具有微米级凹槽阵列的Zr基非晶合金进行XRD分析，结果如图3所示，400N表示实施例2所制备的样品，800N表示实施例3所制备的样品，1200N表示实施例4所制备的样品；曲线表现为非晶态材料特有的典型的漫散射峰，无晶体峰出现，表明经热塑成形后材料仍保持非晶合金状态。

[0057] 4.实施例2～4所制备的Zr基非晶合金的SEM图和CLSM图，如图4、5所示，其中(a)表示实施例2所制备的样品，(b)表示实施例3所制备的样品，(c)表示实施例4所制备的样品，可以看出实施例2～4中制备的Zr非晶合金表面具有微米级凹槽阵列；经检测，实施例2所制备的样品凹槽阵列的深度为85μm，宽度为100μm，相邻两个凹槽之间的间距为100μm；实施例3所制备的样品凹槽阵列的深度为93μm，宽度为100μm，相邻两个凹槽之间的间距为100μm；
实施例4所制备的样品凹槽阵列的深度为100μm，宽度为100μm，相邻两个凹槽之间的间距为
100μm。

[0058] 5.对实施例2～4所制备Zr基非晶合金进行接触角测试，结果如图6所示，其中(a)表示实施例2所制备的样品，(b)表示实施例3所制备的样品，(c)表示实施例4所制备的样品，对应Zr基非晶合金表面接触角分别为116.278°、118.35°、121.278°，优于现有的铝合金表面(接触角为90.121°)，即表面具有微米级凹槽阵列的Zr基非晶合金显示出良好的疏水性。

[0059] 6.将实施例2～4所制备Zr基非晶合金用于光吸收率测试，测试曲线如图7所示，其中85μm表示实施例2所制备的样品，93μm表示实施例3所制备的样品，100μm表示实施例4所制备的样品，对应光吸收率分别为91.39％、92.61％、94.21％，优于采用振动辅助纳米压印制备的硅光栅的吸收率(吸收率为70％)，表明微米级凹槽阵列的Zr基非晶合金具有良好的抗反射性能，满足功能性应用需求，可应用于制备太阳能光伏板部件。

[0060] 虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。