MX2013003120A

MX2013003120A - Estructuras celulares de capas multiples de vidrio metalico.

Info

Publication number: MX2013003120A
Application number: MX2013003120A
Authority: MX
Inventors: William L Johnson; Marios D Demetriou
Original assignee: California Inst Of Techn
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-06-28
Also published as: US8431208B2; AU2011305650B2; JP2013544667A; CN103201107A; EP2619001A1; US20120077052A1; EP2619001A4; JP5745066B2; AU2011305650A1; US20130295321A1; BR112013008636A2; KR20130056337A; KR101523855B1; EP2619001B1; CN103201107B; WO2012040217A1

Abstract

Se proporcionan estructuras celulares de capas múltiples de vidrio metálico y métodos para preparar las mismas. En una modalidad, la estructura celular de vidrio metálico incluye por lo menos una lámina de vidrio metálico modelada y por lo menos una lámina adicional. La o las láminas modeladas de vidrio metálico pueden incluir múltiples láminas conectadas en conjunto para formar un grupo de láminas, y la estructura puede incluir un grupo de láminas intercaladas entre dos láminas externas. Las láminas modeladas de vidrio metálico pueden modelarse al moldear, de manera termoplástica, patrones bi y/o tridimensionales en las láminas de vidrio metálico. Las estructuras celulares de vidrio metálico son útiles en una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo, pero sin limitarse a, aplicaciones de protección a estallidos, aplicaciones de absorción de energía, aplicaciones de soportes estructurales, aplicaciones de implantes biomédicos, aplicaciones de intercambiadores térmicos, aplicaciones de control térmico, aplicaciones de blindaje eléctrico, aplicaciones de blindaje magnético, y desechos y radiación.

Description

ESTRUCTURAS CELULARES DE CAPAS MÚLTIPLES DE VIDRIO METÁLICO CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se dirige a estructuras celulares de capas múltiples de vidrio metálico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Se conocen estructuras metálicas cristalinas celulares y métodos para su fabricación, y se han utilizado en una diversidad de aplicaciones, incluyendo sistemas de mejora de impacto/estallido, medios de disipación térmica, y aplicaciones de aislamiento acústico. Estas estructuras metálicas cristalinas celulares típicamente incluyen láminas de aluminio u otro metal e incluyen láminas metálicas corrugadas intercaladas entre y enlazadas a láminas no formadas, lo que en consecuencia produce estructuras metálicas celulares rígidas de baja densidad. La capacidad de una estructura celular para absorber energía cinética impartida es directamente dependiente 'de la resistencia especifica del material sólido, es decir, el límite elástico dividido entre la densidad. Por consiguiente, las estructuras celulares hechas de sólidos de baja resistencia específica, tales como las utilizadas en las láminas metálicas corrugadas, no absorben grandes cantidades de energía cinética impartida. Además, los materiales utilizados para producir las láminas metálicas corrugadas en estas estructuras exhiben una limitada conformabilidad en estado sólido, lo que hace a las láminas corrugadas difíciles de producir.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención se dirige a estructuras celulares de capas múltiples de vidrio metálico, las cuales pueden utilizarse para una amplia diversidad de aplicaciones, tales como protección a estallidos, atenuación de impactos, absorción de energía, soporte estructural, implantes biomédicos, intercambiadores térmicos, control térmico, blindaje eléctrico, blindaje magnético, y blindaje a desechos y radiación para aplicaciones aeroespaciales y del espacio exterior. Los vidrios metálicos exhiben densidades comparables a los metales cristalinos convencionales, pero tienen lejanos límites elásticos superiores. En consecuencia, los vidrios metálicos ofrecen mejoras incomparables en resistencia específica y absorción de energía cuando se utilizan en aplicaciones celulares. También, a diferencia de los metales cristalinos, los vidrios metálicos exhiben una excelente conformabilidad cuando se calientan por arriba de la temperatura de transición vitrea y retienen sus propiedades mecánicas cuando se enfrían a temperatura ambiente antes de la cristalización. De acuerdo con las modalidades de la presente invención, los metales amorfos planos se procesan hasta una densidad extremadamente baja, alta resistencia, y núcleos celulares plásticamente deformables para la construcción de estructuras celulares. Debido a las excelentes capacidades de micro-replicación de los vidrios metálicos, pueden formarse fácilmente estructuras que requieren tolerancias estrechas, tales como proyecciones para permitir un ensamble por presión. Además, la micro-formación de cintas de vidrio metálico puede realizarse para fabricar estructuras celulares que tienen micro-núcleos que exhiben alta tenacidad y ductilidad pero resistentes al pandeo elástico.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Los anteriores y otros atributos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor por la referencia a la siguiente descripción detallada, cuando se considere en conjunto con los dibujos adjuntos, en los cuales: La Figura 1 es un esquema que representa un método para modelar una lámina de vidrio metálico de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 2 es un esquema que representa un método para alargar una lámina de vidrio metálico de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 3 es un esquema que representa un método para corrugar una lámina de vidrio metálico il de acuerdo con una modalidad de la presente invención; í La Figura 4 es un esquema que representa el ensamble de láminas de vidrio metálico de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 5 es una fotografía de una cinta de Co69Fe Ni Mo2B12Sii2, donde las fotografías incrustadas representan la deformación plástica de la cinta producida por una herramienta dé moleteado a temperatura ambiente; La Figura 6 es una fotografía de una cinta de Co69Fe4Ni Mo2B12Si12 después de la corrugación termoplástica de acuerdo con una modalidad de la presente invención, donde la fotografía incrustada representa una estructura celular de vidrio metálico que incluye la cinta corrugada; La Figura 7A es una vista en perspectiva de una lámina de vidrio metálico de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 7B es una vista en perspectiva de una lámina de vidrio metálico de acuerdo aún con otra modalidad de la presente invención; La Figura 8 es una vista en perspectiva de una estructura celular de vidrio metálico de acuerdo con una modalidad de la presente invención; .

La Figura 9A es una vista esquemática de una estructura celular de vidrio metálico de acuerdo con otra modalidad de la presente invención; La Figura 9B es una vista en perspectiva de una estructura celular de vidrio metálico de acuerdo con otra modalidad de la presente invención; La Figura 10A es una vista en perspectiva de un núcleo de vidrio metálico de acuerdo con una modalidad de la presente invención; ' La Figura 10B es una vista en perspectiva de un núcleo de vidrio metálico de acuerdo con otra modalidad de la presente invención; y Las Figuras 11A a 11C son vistas en perspectiva de una estructura celular de vidrio metálico de acuerdo aún con otra modalidad de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención se dirige a estructuras celulares de vidrio metálico y a métodos para preparar las estructuras. En una modalidad, una estructura de vidrio metálico incluye por lo menos una primera y segunda láminas, donde por lo menos una de la primera y segunda láminas es una lámina de vidrio metálico. De acuerdo con una modalidad, por ejemplo, una estructura incluye por lo menos tina lámina de vidrio metálico intercalada entre dos láminas externas. En otra modalidad, la o las láminas de vidrio metálico pueden intercalarse entre dos láminas externas y la estructura además puede incluir por lo menos una lámina intermedia. El uso de por lo menos una lámina de vidrio metálico, por ejemplo, que se configura apropiadamente, por ejemplo, se corruga o conforma, para formar un núcleo celular resistente a la fractura y resistente al pandeo, proporciona una estructura que es de baja densidad, alta resistencia, y tiene buena capacidad de deformación plástica, todo lo cual resulta en una alta capacidad de absorción de energía. Estas propiedades son inigualables por las estructuras de láminas metálicas cristalinas construidas de manera similar.

Una estructura celular, como se reconocerá por un experto en la técnica, es un ensamble o red de placas o láminas sólidas que se disponen para formar bordes o caras de celdas unitarias. (Véase, por ejemplo, L. J. Gibson, and M. F. Ashby, Cellular Solids: Structure and Properties. 2nd Ed. 1997: Cambridge University Press, Cambridge, UK, p. 1-2, o H. N. G. Wadley, "Multifunctional Periodic Cellular Metals," Philosophical Transactions of the Royal Society A, Vol. 206, pp. 31 -68 (2006), cuyas descripciones se incorporan en este documento para referencia.) La presente invención se dirige a estructuras celulares que, para los propósitos de esta invención, se definen como ensambles de láminas de vidrio metálico dispuestas para formar un entramado que comprende una pluralidad de celdas unitarias, y cada celda tiene caras que son más anchas que el espesor de las láminas, y tan anchas como las anchuras de las láminas. Un núcleo celular ejemplar (en donde el núcleo celular es una celda unitaria de la estructura celular) se muestra en la Figura 10, y estructuras de entramados ejemplares se muestran en la Figura 1 1.

En una modalidad, la lámina de vidrio metálico puede moldearse a un núcleo de vidrio metálico, el cual puede ser un núcleo celular cargado en el plano (Figura 10A) o un núcleo celular cargado fuera de plano (Figura 10B). El núcleo de vidrio metálico puede diseñarse para maximizar la capacidad de absorción de energía de la estructura resultante al asegurar que el núcleo falla por deformación elástica cuando se carga dinámicamente, en lugar de por fractura por fragilidad o pandeo elástico. Para que el núcleo evada la fractura por fragilidad, el espesor de la lámina de vidrio metálico debe estar por debajo del "espesor de zona plástica" del material. El "espesor de zona plástica" es el espesor por debajo del cual el material resiste la formación de grietas, y es proporcional al cuadrado de la resistencia a la fractura sobre el límite elástico del material. Más específicamente, para el propósito de tal modalidad, el radio de zona plástica (rp) se define como: rp = Klc2 / noy2 (EC. 1 ) donde, K¡c, es la resistencia a la fractura de modo I del sólido de vidrio metálico, y oy, es el limite elástico plástico del sólido de vidrio metálico. Si el espesor de una placa de vidrio metálico es superior al "espesor de zona plástica" (rp), la placa se fracturará catastróficamente si oy se alcanza con la flexión o impacto.

El espesor de zona plástica para los vidrios metálicos típicamente varía de unos cuantos micrómetros a varios cientos de micrómetros, lo que va de aleaciones frágiles a resistentes. (Los valores de "espesor de zona plástica" para varios vidrios metálicos se listan en M.F. Ashby and A.L. Greer, "Metallic Glasses as Structural Materials," Scripta Materialia, Vol. 54, pp. 321-326 (2006), cuyo contenido completo se incorpora en este documento para referencia.) Por ejemplo, el Zr4i.2 ii3-8 ¡ioCu12.5Be22-5 amorfo exhibe rp ~ 0.3 mm, que corresponde a ay = 1800 MPa y Klc = 55 MPa.m1'2. En comparación, el acero inoxidable 304 exhibe ay = 500 MPa y Klc = 150 MPa.m"2, lo cual resulta en rp - 30 mm, es decir, dos órdenes de magnitud superior al del vidrio metálico. De manera correspondiente, una placa de 1 mm de grosor, hecha de acero inoxidable 304, exhibirá una resistencia muy alta a la fractura con la flexión o impacto. Por lo tanto, a pesar de su muy alta resistencia, los vidrios metálicos se encuentran en una desventaja considerable desde el punto de vista de la resistencia a la fractura, en comparación con los materiales tradicionales, tales como los aceros. No obstante, si los espesores en sección transversal de una parte, por ejemplo, una lámina, son inferiores a rp, entonces la fractura puede resistirse. Para asegurar la resistencia de una lámina de vidrio metálico a la fractura por fragilidad, el espesor de lámina no debe exceder el "espesor de zona plástica" del vidrio metálico. Por lo tanto, el espesor de la lámina dependerá del vidrio metálico elegido para la formación de láminas.

Otro parámetro estructural que puede considerarse es la geometría del núcleo en sí. En una modalidad, por ejemplo, el núcleo puede configurarse para evadir el pandeo elástico al asegurar que la "relación de proporción dimensional del núcleo" característica (la cual puede ser aproximada por la altura del núcleo en dirección de la carga dividida entre el espesor de lámina) preferiblemente no debe exceder un valor critico en el cual el pandeo del núcleo se hace posible. La "relación de proporción dimensional del núcleo" critica se determina por el límite de tensión elástica del material, así como la geometría de diseño del núcleo. El límite de tensión elástica de los límites metálicos es de alrededor de 0.02, un valor muy superior al del la mayor parte de los metales cristalinos. Por lo tanto, debido a los límites de tensión elástica superiores, un núcleo de vidrio metálico generalmente debe tener una relación de proporción dimensional inferior a la de un núcleo de metal cristalino de la misma geometría de diseño con el fin de evitar el pandeo elástico.

La manera en la cual diferentes geometrías de diseño de núcleo determinan los criterios para el pandeo del núcleo se discute en H. N. G. Wadley, N.A. Fleck, and A.G. Evans, "Fabrication and Structural Performance of Periodic Cellular Metal Sandwich Structures," Composite Science and Technology, Vol. 63, pp. 2331-2343 (2003), cuyo contenido completo se incorpora en este documento para referencia. Para asegurar que el núcleo pueda resistir el pandeo elástico, la "relación de proporción dimensional del núcleo" no debe exceder el valor crítico asociado con el pandeo del núcleo. Por lo tanto, la "relación de proporción dimensional del núcleo" de la lámina dependerá de la geometría de diseño de núcleo elegida y la dirección de la carga aplicada. Por consiguiente, cuando se eligen láminas con pequeños espesores, los núcleos celulares preferiblemente se fabrican con pequeñas alturas también, con el fin de mantener la "relación de proporción dimensional del núcleo" por debajo del valor crítico asociado con el pandeo del núcleo. Un caso semejante puede surgir cuando se elige un vidrio metálico frágil caracterizado por un "espesor de zona plástica" microscópico. En ese caso, se requieren espesores de lámina microscópicos para evadir la fractura por fragilidad y, por consiguiente, se requieren alturas de núcleo microscópicas para evadir el pandeo elástico. En tal caso, la micro-corrugación de micro-láminas puede ayudar a fabricar micro-núcleos resistentes a la fractura y resistentes al pandeo.

Siempre y cuando la geometría de estructura celular cumpla con los criterios mencionados anteriormente para eludir tanto la fractura como el pandeo, entonces puede esperarse que la estructura falle por deformación elástica. La tensión de rotura bajo colapso plástico puede ser superior a las tensiones de rotura que pueden haber ocurrido al haber fallado la estructura ya sea por tensión o fractura.

La lámina de vidrio metálico de la estructura puede elaborarse de cualquier aleación adecuada de vidrio metálico. Ejemplos no limitantes de aleaciones adecuadas de vidrio metálico incluyen aleaciones basadas en Fe, aleaciones basadas en Co, aleaciones basadas en Mg, aleaciones basadas en Al, aleaciones basadas en Zr, aleaciones basadas en Au, aleaciones basadas en Pt, aleaciones basadas en Ni, aleaciones basadas en Cu, basadas en Ti, basadas en Pd y aleaciones basadas en metales de tierras raras. En particular, un ejemplo no limitante de una aleación basada en Fe adecuada es Fe8oC8Pi2, un ejemplo no limitante de una aleación basada en Co adecuada es Co69Fe Ni1lvlo2Bi2Si,2, un ejemplo no limitante de una aleación basada en Mg adecuada es Mg65Gd10Cu25, un ejemplo no limitante de una aleación basada en Al adecuada es AI85Ni6Fe3Gd6, un ejemplo no limitante dé una aleación basada en Zr adecuada es Zrs bsCUísNi^lm, un ejemplo no limitante de una aleación basada en Au adecuada es AU49Ag5.5Pd2.3CU26. gS¡i6.3, un ejemplo no limitante de una aleación basada en Pt adecuada es Pt57.5NÍ5.3Cu14.7P22.5, un ejemplo no limitante de una aleación basada en Ni adecuada es NÍBoNb35Sn5, un ejemplo no limitante de una aleación basada en Pd adecuada es Pdy/.sCueSiy.s, y un ejemplo no limitante de una aleación basada en metales de tierras raras adecuada es LassA^sN^o- Además de la o las láminas corrugadas de vidrio metálico, las estructuras de acuerdo con las modalidades de la presente invención además incluyen por lo menos una lámina adicional, tal como una lámina externa o una lámina intermedia. El material de esta lámina adicional puede ser cualquier material adecuado. Ejemplos no limitantes de materiales adecuados para esta lámina incluyen polímeros, resinas epóxicas, vidrios, madera, cerámica, metales (tales como láminas metálicas de alta resistencia), vidrios metálicos (tales como los descritos anteriormente) y combinaciones de los mismos. Además, en una modalidad, la lámina adicional puede elaborarse del mismo material que la lámina de vidrio metálico. En modalidades que incluyen más de una lámina adicional, las láminas adicionales pueden elaborarse del mismo material o pueden elaborarse de diferentes materiales.

La o las láminas de vidrio metálico de la estructura preferiblemente también deben tener un espesor por debajo del "espesor de zona plástica" del material, y se modela para producir una configuración de entramado en 2D y/o 3D. Como se indica anteriormente, la lámina puede moldearse a un núcleo celular con una "relación de proporción dimensional del núcleo" por debajo del valor critico asociado con el pandeo del núcleo. En una modalidad, por ejemplo, la lámina de vidrio metálico 12 incluye una estructura 2D tales como hendiduras o pequeñas aberturas 13 en la lámina, como sé muestra en la Figura 7A. Aunque se muestra como hendiduras o aberturas cortadas en la lámina de vidrio metálico, el patrón 2D puede ser cualquier patrón adecuado. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 5, como alternativa a las hendiduras o aberturas en la lámina, el patrón 2D puede ser una impresión en la superficie de la lámina. La Figura 5 representa una lámina de vidrio metálico sometida a deformación plástica a temperatura ambiente desde una herramienta de moleteado.

En otra modalidad ejemplar, la lámina de vidrio metálico 12 incluye un patrón 3D, tal como un patrón corrugado 15, como se muestra en la Figura 6. Aunque el patrón 3D se ilustra como un patrón generalmente sinusoidal, cualquier patrón 3D adecuado puede utilizarse. Por ejemplo, además de una forma generalmente sinusoidal, el patrón 3D puede ser un zigzag o forma similar.

Todavía en otra modalidad, la lámina de vidrio metálico 12 incluye una estructura tanto 2D como 3D. Por ejemplo, una lámina puede incluir tanto hendiduras y aberturas 13 como un patrón corrugado 15, como se muestra en la Figura 7B.

La o las láminas adicionales también pueden modelarse para producir una estructura 2D y/o 3D en la lámina. Los patrones 2D y 3D discutidos anteriormente para la lámina de vidrio metálico también son útiles para la o las láminas adicionales.

De acuerdo con una modalidad de la presente invención, como se muestra en la Figura 8, una estructura de vidrio metálico 10 incluye por lo menos una lámina de vidrio metálico modelada 12 intercalada entre dos láminas externas 14. En una modalidad, como se muestra en la Figura 9A, la o ias láminas de vidrio metálico incluyen por lo menos dos láminas de vidrio metálico 12 apiladas una en otra: o combinadas de otra manera para formar un grupo de láminas de vidrio metálico 12a. El grupo de láminas de vidrio metálico 12a puede intercalarse entre dos láminas externas 14 para completar una estructura de vidrio metálico 10a, como se muestra en la Figura 9A. Alternativamente, los grupos de láminas de idrio metálico 12a pueden separarse por una o más láminas intermedias 16 para formar una estructura de vidrio metálico de diferentes niveles 10b, como se muestra en la Figura 9B.

En otra modalidad de la presente invención, un método para elaborar una estructura de vidrio metálico incluye elaborar primero una lámina de vidrio metálico modelada al calentar una lámina de vidrio metálico plana a una temperatura favorable para el moldeado termoplástico. Esta temperatura puede ser cualquier temperatura entre la temperatura de transición vitrea (Tg) y la temperatura de cristalización (T*) del material que constituye la lámina de vidrio metálico plana. Entonces, se aplica una presión apropiada con el fin de producir el patrón 2D y/o 3D deseado en la lámina. En una modalidad, la presión puede variar de alrededor de 1 a alrededor de 10,000 MPa. Después de formar un patrón, la lámina de vidrio metálico se enfría antes de la cristalización.

Las Figuras 1 a 3 representan un método ejemplar para preparar una lámina de vidrio metálico i modelada de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Como se muestra en la Figura 1 , un patrón 2D se forma primero en una lámina de vidrio metálico plana 120 al crear hendiduras 130 en la lámina con una herramienta de corte 170, tal como un láser, para formar una lámina de vidrio metálico modelada bidimensionalmente 120a. La lámina de vidrio metálico modelada bidimensionalmente 120a entonces se recorta al tamaño con una herramienta adecuada, tal como un láser. Entonces, como se muestra en la Figura 2, la lámina modelada bidimensionalmente 120a se calienta a una temperatura favorable para el moldeado termoplástico y se estira o se expande de otra manera a una longitud deseada. Dependiendo del patrón 2D aplicado a la lámina, el estiramiento o expansión puede crear un sistema de celdas abiertas, un sistema de celdas cerradas, o una superficie impresa que tiene una textura superficial dependiente del patrón 2D. La lámina de vidrio metálico modelada bidimensionalmente 120a entonces se calienta a una temperatura favorable para el moldeado termoplástico y se modela tridimensionalmente para formar una lámina de vidrio metálico modelada tridimensionalmente 120b, como se muestra en la Figura 3.

La lámina de vidrio metálico puede modelarse tridimensionalmente por cualquier medió adecuado.

Ejemplos no limitantes de tales medios adecuados incluyen moldeo por soplado, moldeo por inyección, moldeo por inversión, conformación superplástica, forjadura en caliente, moldeo por impacto explosivo, estiramiento, flexión y plegamiento.

En una modalidad ejemplar, como se muestra en la Figura 3, la lámina de vidrio metálico se modela tridimensionalmente al hacerla pasar entre dos tambores giratorios 200a y 200b. Los tambores giratorios 200a y 200b generalmente son cilindricos y tienen dientes 210a y 210b, respectivamente, en sus longitudes y circunferencias. Los dientes 210a del primer tambor giratorio 200a acoplan los dientes 210b del segundo tambor giratorio 200b. La lámina de vidrio metálico modelada bidimensionalmente 120a se hace pasar entre los dientes 210a del primer tambor giratorio 200a y los dientes 210b del segundo tambor giratorio 200b. Con la etapa entre los dientes 210a y 210b de los tambores giratorios 200a y 200b, la lámina de vidrio metálico modelada bidimensionalmente 120a se modela tridimensionalmente por la presión ejercida en los lámina 120a por los dientes 210a y 210b de los tambores giratorios 200a y 200b. Aunque el método anterior se describe e ilustra en relación con una lámina que se modela tanto bidimensionalmente como tridimensionalmente, se entiende que el método puede modificarse para crear láminas que se modelan ya sea sólo bidimensionalmente o sólo tridimensionalmente. Por ejemplo, para elaborar una lámina que sólo se modela bidimensionalmente, la segunda etapa de calentamiento de la lámina y la etapa de hacer pasar la lámina a través de los tambores giratorios pueden omitirse. También, para elaborar una lámina que se modela sólo tridimensionalmente, las etapas de cortar hendiduras en la lámina y expandir la lámina pueden omitirse. i Los dientes 210a y 210b de los tambores giratorios 200a y 200b pueden adoptar cualquier conformación adecuada. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 3, los dientes pueden ser generalmente trapezoidales en su conformación para formar una lámina que tiene un patrón tridimensional que incluye picos y valles conformados generalmente de manera trapezoidal. Alternativamente, los dientes pueden 'ser generalmente circulares o semicirculares, generalmente ovalados o semiovalados, generalmente cuadrados, generalmente rectangulares, o generalmente triangulares en su conformación. Sin embargo, los dientes no se limitan a estas formas y pueden adoptar cualquier conformación adecuada para crear el patrón 3D deseado en la lámina.

En una modalidad de la presente invención, como se muestra en la Figura 3, la lámina de vidrio metálico modelada tridimensionalmente incluye pequeñas proyecciones 220 que actúan .; ya sea como sujetadores de ajuste por presión o pines de registro de localizador. Cuando se visualizan desde un lado de la lámina de vidrio metálico, las proyecciones 220 de hecho son proyecciones que se extienden hacia el exterior desde la superficie de la lámina. Sin embargo, cuando se visualizan désde el lado opuesto de la lámina, las proyecciones 220 son muescas en la superficie de la lámina. Estas proyecciones 220 hacen posible la unión rápida y segura de las láminas de vidrio metálico to entre si para formar grupos de láminas de vidrio metálico para su uso en la construcción de estructuras de vidrio metálico. Para formar estas proyecciones 220 en la lámina de vidrio metálico, el tambor giratorio 200a incluye las proyecciones 230a en los espacios entre los dientes 210a, y los dientes 210a incluyen las proyecciones 230b. También, el tambor giratorio 200b incluye las muescas 240a en los espacios entre los dientes 210b, y los dientes 210b incluyen las proyecciones 240b. Con el rodamiento de los tambores giratorios 200a y 200b, las proyecciones 230a en el tambor giratorio 200a acoplan las muescas 240b on los dientes 210b del tambor giratorio 200b, y las proyecciones 230b en los dientes 210a acoplan las muescas 240a en el tambor giratorio 200b. Cuando la lámina metálica se hace pasar a través de los tambores giratorios 200a y 200b, las proyecciones 230a y 230b fuerzan una porción de la lámina de vidrio metálico hacia las muescas 240b y 240a, lo que en consecuencia forma las pequeñas proyecciones 220 en los picos y valles de la lámina de vidrio metálico.

Las láminas de vidrio metálico que tienen patrones 2D y/p 3D pueden formarse de manera termoplástica en el estado liquido subfundido, como se muestra en la Figura 6, que representa una cinta de Co69Fe Ni1Mo2B12Si 2 corrugada de manera termoplástica. Tales cintas pueden utilizarse para elaborar estructuras celulares (mostradas en la incrustación en la Figura 6) que tienen una densidad celular de alrededor de 0.17 g/cc, lo cual corresponde a una porosidad de 98%.

Las estructuras de vidrio metálico pueden ensamblarse en cualquier manera adecuada. Como se indica anteriormente, las estructuras pueden incluir una o más láminas de vidrio metálico modeladas intercaladas entre dos láminas externas, o pueden incluir grupos de láminas de vidrio metálico modeladas separadas por capas intermedias e intercaladas entre dos láminas externas. En modalidades que incluye más de una lámina de vidrio metálico modelada, las láminas pueden apilarse o conectarse o combinarse de otra manera por cualquier medio adecuado. Ejemplos no limitantes de tales medios adecuados incluyen soldadura, soldadura de puntos, soldadura láser, soldadura por haces de electrones, estañadura, uso de adhesivos, uso de ajustes por presión, soldadura por difusión, fusión transitoria, enlace termoplástico en la región líquida subfundida, y enlace a través de una aleación intermedia de baja temperatura de transición vitrea.

En modalidades en las cuales las láminas de vidrio metálico incluyen proyecciones de ajuste por presión (mostradas en la Figura 3), las láminas de vidrio metálico pueden conectarse a través de las proyecciones de ajuste por presión 220. La Figura 4 representa un método para conectar las láminas de vidrio metálico que incluyen las proyecciones 220. Como se muestra, cada lámina de vidrio metálico incluye las proyecciones 220a en los picos y las proyecciones 220b en los valles. Cuando se conectan dos láminas, las proyecciones 220a en los picos de una lámina superior se alinean con las proyecciones 220b en los valles de una lámina inferior. Las proyecciones 220b se ajustan por presión en las muescas de las proyecciones 220a para conectar las láminas superior e inferior. Cualquier número de láminas de vidrio metálico puede conectarse en esta manera para formar grupos de láminas de vidrio metálico, tal como el mostrado en la Figura 4.

Después de conectar el número deseado de láminas de vidrio metálico modeladas, los grupos resultantes de láminas de vidrio metálico modeladas pueden intercalarse entre dos láminas externas, o pueden separarse por láminas intermedias para formar estructuras de diferentes niveles que entonces pueden intercalarse entre dos láminas externas. Las láminas de vidrio metálico modeladas pueden conectarse a las láminas externas o láminas intermedias por cualquier medio adecuado. Ejemplos no limitantes de tales medios adecuados incluyen soldadura, soldadura de puntos, soldadura láser, soldadura por haces de electrones, estañadura, uso de adhesivos, uso de ajustes por presión,, soldadura por difusión, fusión transitoria, enlace termoplástico en la región líquida subfundida, y enlace a través de una aleación intermedia de baja temperatura de transición vitrea.

Para elaborar estructuras de vidrio metálico al utilizar láminas de vidrio metálico modeladas que incluyen proyecciones de ajuste por presión, la lámina de vidrio metálico de la parte superior en un grupo de láminas de vidrio metálico puede omitir las proyecciones 220a en los picos. Las láminas aún incluyen las proyecciones 220b en los valles para facilitar la unión a la lámina inferior, pero las proyecciones 220a en los picos pueden omitirse para mejorar la conexión de la lámina de la parte superior a la lámina externa de la estructura. Para fabricar una lámina de vidrio metálico modelada de la parte superior con las proyecciones 220b en los valles pero excluyendo las proyecciones en los picos, los tambores giratorios 200a y 200b pueden modificarse por consiguiente. Por ejemplo, el tambor giratorio 200a incluye las proyecciones 230a en los espacios entre los dientes 210a, pero los dientes 210a no incluyen ninguna proyección. También, el tambor giratorio 200b no incluye muescas en los espacios entre los dientes 210b, pero los dientes 210b incluyen las proyecciones 240b. Con el rodamiento de los tambores giratorios 200a y 200b, las proyecciones 230a en el tambor giratorio 200a acoplan las muescas 240b on los dientes 210b del tambor giratorio 200b. Cuando la lámina metálica se hace pasar a través de los tambores giratorios 200a y 200b, las proyecciones 230a fuerzan una porción de la lámina de vidrio metálico hacia las muescas 240b, lo que en consecuencia forma las pequeñas proyecciones 220 sólo en los valles de la lámina de vidrio metálico.

Las estructuras celulares de capas múltiples de vidrio metálico de acuerdo con la presente invención pueden utilizarse en cualquier aplicación adecuada. Ejemplos no limitantes de tales aplicaciones adecuadas incluyen cubiertas y armazones electrónicos de consumo, aplicaciones de protección a estallidos, aplicaciones de absorción de energía, aplicaciones de soportes estructurales, aplicaciones de implantes biomédicos, aplicaciones de intercambiadores térmicos, aplicaciones de control térmico, aplicaciones de blindaje eléctrico, aplicaciones de blindaje magnético, y blindaje a desechos y radiación para aplicaciones aeroespaciales y del espacio exterior. - MODALIDADES EJEMPLARES En una modalidad ejemplar, las estructuras celulares de capas múltiples de vidrio metálico se dirigen a armazones y cubiertas para dispositivos electrónicos de consumo. Debido a su muy alta resistencia y bajo módulo, los vidrios metálicos tienen una muy alta resistencia al rayado y elasticidad, en conjunto con una buena resistencia a la corrosión y, como resultado, se consideran materiales atractivos para armazones de dispositivos electrónicos de consumo. Por ejemplo, el Zr41 i2 i13.8Ni1oCu12.5Be22.5 amorfo exhibe un limite elástico de 1800 MPa, lo cual es casi 4 veces el del acero inoxidable 304. Tal alta resistencia de hecho se considera más que adecuada para aplicaciones de armazones electrónicos. A pesar de estas propiedades atractivas, sin embargo, los vidrios metálicos generalmente exhiben baja resistencia a la fractura con una sensibilidad extrema a las roturas y, en consecuencia, los armazones de vidrio metálico a menudo son propensos a la fractura por fragilidad con la flexión o impacto.

Específicamente, si el espesor de una placa de vidrio metálico es superior a rp, la placa se fracturará catastróficamente si ay se alcanza con la flexión o impacto. El rp para los vidrios metálicos típicamente varía de unos cuantos micrómetros a varios cientos de micrómetros, lo que va de aleaciones frágiles a resistentes. Por ejemplo, el Zr41.2Tii3.8 iioCu12.5Be22.5 amorfo exhibe rp ~ 0.3 mm, que corresponde a oy = 1800 MPa y ,c = 55 MPa.m1'2. En comparación, el acero inoxidable 304 exhibe ay = 500 MPa y K,c = 150 MPa.m1'2, lo cual resulta en rp ~ 30 mm, es decir, dos órdenes de magnitud superior al del vidrio metálico. De manera correspondiente, una placa de 1 mm de grosor, hecha de acero inoxidable 304, exhibirá una resistencia muy alta a la fractura con la flexión o impactó. Por lo tanto, a pesar de su muy alta resistencia, los vidrios metálicos se encuentran en una desventaja considerable desde el punto de vista de la resistencia a la fractura, en comparación con los materiales tradicionales, tales como los aceros. Este inconveniente potencialmente puede superarse al fabricar placas con espesores inferiores a rp de tal modo que puedan resistir la fractura. La fabricación de placas ultra-delgadas de vidrio metálico, sin embargo, se ha topado con desafíos de procesamiento considerables, dado que los requerimientos de presión para moldear un liquido viscoso de vidrio metálico a Un canal delgado largo pueden ser extremadamente altos.

En la modalidad de cubiertas electrónicas de consumo, se proponen arquitecturas celulares tales como las presentadas en la Figura 11A a 11 C, (1000) (Véase H. N. G. Wadley, "Multifunctional Periodic Cellular Metals," Philosophical Transactions of the Royal Society A, Vol. 206, pp. 31-68 (2006), cuya descripción se incorpora en este documento para referencia), para fabricarse por lo menos parcialmente a partir de vidrio metálico y utilizarse como armazones para dispositivos electrónicos de consumo, con la condición de que las estructuras se diseñen para proporcionar una tenacidad adecuada sin comprometer significativamente la resistencia. Específicamente, como se describe anteriormente, las estructuras consisten en una o más láminas de vidrio metálico (1010) modeladas y/o dispuestas en una configuración de entramado (1012) entre dos láminas planas (1014). En esta modalidad, por lo menos la capa de entramado se forma de un vidrio metálico y, de particular importancia, la lámina de vidrio metálico se diseña con espesores inferiores al "espesor de zona plástica" (rp) del vidrio metálico, cuando se determina por la EC. 1 , y el entramado se diseña para exhibir una resistencia al colapso plástico que es de por lo menos 50% la del sólido de vidrio metálico.

En una modalidad ejemplar, considérese un panel en panal con un entramado hexagonal (mostrado esquemáticamente en la Figura 11 A) elaborado de Zr41.2Ti13.8Ni1oCu12.5Be22.5 amorfo (ay = 1800 MPa). El panel tiene una altura h = 0.6 mm y las riostras tienen un espesor f = 0.15 mm. Dado que el espesor del vidrio metálico a lo largo de la estructura se encuentra por debajo de rp, puede esperarse que la estructura resista adecuadamente la fractura con el impacto o flexión y, de esta manera, falle por deformación elástica.

Bajo tal falla por deformación elástica, la tensión de colapso plástico o de una estructura celular ejemplar con un entramado de panal hexagonal cargado fuera de plano, puede calcularse de la siguiente manera (Véase, por ejemplo, L. J. Gibson, and M. F., Cellular Solids: Structure and Properties: 2nd Ed. 1997: Cambridge University Press, Cambridge, UK, pp. 155- 57, cuya descripción se incorpora en este documento para referencia.): s = 5.6ay(f//)5 3 (EC. 2) donde oy es el límite elástico plástico del material, f es el espesor de la lámina y / es la anchura de la cara de celda, al sustituir f = 0.1 mm, / = 0.6 mm, y oy = 1800 MPa, se obtiene s = 1000 MPa. Por lo tanto, la estructura exhibirá una resistencia al colapso plástico que es de más de 50% del límite elástico plástico del vidrio metálico (y dos veces la resistencia del acero inoxidable 304), mientras se es capaz de resistir la fractura por flexión o impacto.

Curiosamente, un panel celular también tendrá una densidad muy inferior a la de una placa monolítica del mismo espesor, lo cual es altamente deseable en aplicaciones electrónicas de consumo. La relación de la densidad de la estructura p a la densidad del sólido 'monolítico ps para una estructura celular' ejemplar con un entramado de panal hexagonal puede calcularse de la siguiente manera (véase L. J. Gibson, and M. F. Ashby, Cellular Solids: Structure and Properties. 2nd Ed. 1997: Cambridge University Press, Cambridge, UK, p. 42, cuya descripción se incorpora en este documento para referencia ): plps = (2Ñ3)(tll) (EC. 3) Al sustituir f = 0.15 mm, / = 0.6 mm, se obtiene 0.3, es decir, un panel celular de tal arquitectura será 70% menos denso que una placa monolítica del mismo espesor.

Dado que la resistencia al colapso del entramado ejemplar es 56% del límite elástico del vidrio metálico, pero la densidad es sólo del 30% de la densidad del vidrio metálico, la resistencia especifica del entramado, en donde la resistencia específica se define como resistencia sobre densidad, puede ser 85% superior a la resistencia específica del vidrio metálico.

La resistencia al colapso plástico (s) de cualquier estructura de entramado puede expresarse de manera más general como s = Ao^tllf, donde o> es el límite elástico plástico del vidrio metálico, f es el espesor de la lámina, / es la anchura de la cara de celda, y donde A se encuentra entre 4 y 7, más preferible alrededor de 6, y n se encuentra entre 1 y 3, y más preferiblemente alrededor de 2.

También, la densidad (p) de cualquier entramado puede expresarse de manera más general como p = Bps{tll), donde ps es la densidad del vidrio metálico, f es el espesor de la lámina, / es la anchura de la cara de celda, y B se encuentra entre 1 y 3, y preferiblemente alrededor de 2.

Más aún, como se describe anteriormente, la fabricación de un panel en panal de vidrio metálico hexagonal con f = 0.15 mm, h = 0.6 mm, será de manera considerable más fácil que la fabricación de una placa monolítica de vidrio metálico con t = 0.15 mm. Esto se debe a que el panel puede fabricarse al modelar una placa de vidrio metálico de 0.6 mm, en lugar de moldear una placa de vidrio metálico larga de 0.15 mm. Específicamente, una placa de vidrio metálico puede calentarse por arriba de la temperatura de transición vitrea hacia la región líquida subfundida y presionarse contra un entramado de molde ele hexágonos estacionarios tal cómo para replicar (o micro-replicar) el entramado de molde. Los métodos para calentar la placa de vidrio metálico incluyen, pero no se limitan a, calentamiento en horno, calentamiento inductivo (por ejemplo al utilizar una bobina de RF), o calentamiento óhmico (por ejemplo, al utilizar un capacitor como en la Solicitud de Patente de E.U. 2009/0236017, cuya descripción se incorpora en este documento para referencia). Los materiales para el entramado de molde incluyen, pero no se limitan a, cobre, bronce, aluminio, acero, silicio, cerámica laborable, zafiro.

Ejemplos de posibles arquitecturas de entramado se muestran en las Figuras 11A a 11C. Aunque se muestran varias modalidades, debe entenderse que cualquier estructura celular adecuada puede utilizarse con la actual invención, incluyendo, por ejemplo, estructuras en panal, prismáticas, cerchas, textiles, y de espuma. ¡ A su vez, estas estructuras celulares pueden incorporarse en cualquier armazón o cubierta electrónica adecuada, incluyendo, por ejemplo: • Una cubierta o armazón que comprende un cuerpo que tiene paredes que definen por lo menos un compartimiento, en donde el compartimiento se diseña para circundar, por lo menos parcialmente, por lo menos un componente electrónico; • Un armazón que además comprende por lo menos una abertura; • Un armazón con una abertura que se diseña para permitir el acceso al o los componentes electrónicos; · Un armazón que comprende por lo menos dos piezas individuales; , • Un armazón cuyas piezas individuales se unen ya sea de manera fija o movible; • Un armazón cuyas piezas individuales se unen en conjunto por uno de los conectores del grupo que consiste en: adhesivos, tornillos, y conectores de presión; • Un armazón que tiene por lo menos una porción que además se recubre con un material altamente endurecido seleccionado del grupo que consiste en: ???, SiC y diamante; • Un armazón que tiene por lo menos una porción que se anodiza; • Un armazón que tiene por lo menos una porción que se anodiza para proporcionar los colores del arco iris; · Un armazón en forma de un estuche para un dispositivo seleccionado del grupo de. teléfono celular, PDA, computadora portátil, y cámara digital; y • Un armazón que proporciona por lo menos protección de interferencia electrónica parcial al componente electrónico.

Aunque la presente invención se ha ilustrado y descrito con referencia a ciertas modalidades ejemplares, los expertos en la técnica comprenden que pueden hacerse diversas modificaciones y cambios a las modalidades descritas sin apartarse del espíritu y alcance de la presente invención, como se define por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una estructura celular que comprende por lo menos una lámina de vidrio metálico que se configura para formar un entramado que comprende por lo menos una celda; por lo menos una lámina que es por lo menos parcialmente plana dispuesta en por lo menos un lado horizontal del entramado; y en donde el o los entramados de vidrio metálico tienen un espesor menor al radio de zona plástica del vidrio metálico.

2. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 1 , que comprende por lo menos dos láminas que son por lo menos parcialmente planas, en donde el o los entramados de vidrio metálico se disponen entre las, por lo menos dos, láminas.

3. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 1 , en donde lá o las láminas que son por lo menos parcialmente planas comprenden un vidrio metálico.

4. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 3, en donde la o las láminas que son por lo menos parcialmente planas tienen un espesor menor al radio de zona plástica del vidrio metálico.

5. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la geometría del entramado se configura de tal modo que la resistencia al colapso plástico del entramado sea de por lo menos 50% del limite elástico plástico del vidrio metálico.

6. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la geometría del entramado se configura de tal modo que la densidad del entramado sea menor a 50% de la densidad del vidrio metálico.

7. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la geometría del entramado se configura de tal modo que la resistencia específica del entramado sea mayor a la resistencia específica del vidrio metálico.

8. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el radio de zona plástica (rp) del vidrio metálico se determina por la ecuación: rp = Ktc2 I nay2, donde, Klc, es la resistencia a la fractura de modo I del vidrio metálico, y oy, es el límite elástico plástico del vidrio metálico.

9. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la resistencia al colapso plástico (s) del entramado se determina por la ecuación: s = Aa^tl!†, donde ay es el límite elástico plástico del vidrio metálico, f es el espesor de la lámina, / es la anchura de la cara de celda, y donde A se encuentra entre 4 y 7 y n se encuentra entre 1 y 3.

10. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 9, en donde A es alrededor de 6 y n es alrededor de 2.

11. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la densidad (p) del entramado se determina por la ecuación: p = Bps(t/I), donde ps es la densidad del vidrio metálico, f es el espesor de la lámina, / es la anchura de la cara de celda, y 6 se encuentra entre 1 y 3.

12. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 11 , en donde B es alrededor de 2.

13. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el o los entramados de vidrio metálico comprenden un material seleccionado del grupo que consiste en aleaciones basadas en Fe, aleaciones basadas en Co, aleaciones basadas en Mg, aleaciones basadas en Al, aleaciones basadas en Zr, aleaciones basadas en Ti, aleaciones basadas en Au, aleaciones basadas en Pt, aleaciones basadas en Ni, aleaciones basadas en Pd y aleaciones basadas en metales de tierras raras.

14. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la o las láminas que son por lo menos parcialmente planas comprenden un material seleccionado del grupo que consiste en polímeros, resinas epóxicas, vidrios, madera, cerámica, metales, vidrios metálicos y combinaciones de los mismos.

15. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la o las láminas que son por lo menos parcialmente planas comprenden el mismo vidrio metálico que el entramado.

16. La estructura celular de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el entramado tiene una geometría seleccionada del grupo que consiste en panal, prismática, hexagonal, cuadrada, triangular, diamante, y cerchas.

17. Una cubierta o armazón electrónico celular que comprende: un cuerpo que tiene paredes que definen por lo menos un compartimiento, en donde el compartimiento se diseña para circundar, por lo menos parcialmente, por lo menos un componente electrónico; en donde por lo menos una porción del cuerpo se forma a partir de por lo menos una lámina de vidrio metálico que se configura para formar un entramado que comprende por lo menos una celda, y por lo menos una lámina que es por lo menos parcialmente plana dispuesta en por lo menos un lado horizontal del entramado; y en donde el o los entramados de vidrio metálico tienen un espesor menor al radio de zona plástica del vidrio metálico.

18. La cubierta de conformidad con la reivindicación 17, que comprende por lo menos dos láminas que son por lo menos parcialmente planas, en donde el o los entramados de vidrio metálico se disponen entre las, por lo menos dos, láminas sólidas.

19. La cubierta, de conformidad con la reivindicación 17, en donde la o las láminas que son por lo menos parcialmente planas se forman de un vidrio metálico.

20. La cubierta de conformidad con la reivindicación 19, en donde la o las láminas que son por lo menos parcialmente planas tienen un espesor menor al radio de zona plástica del vidrio metálico.

21. La cubierta de conformidad con la reivindicación 17, en donde la geometría del entramado se configura de tal modo que la resistencia al colapso plástico del entramado sea de por lo menos 50% del limite elástico plástico del vidrio metálico.

22. La cubierta de conformidad con la reivindicación 17, en donde la geometría del entramado se configura de tal modo que la densidad del entramado sea menor a 50% de la densidad del vidrio metálico.

23. La cubierta de conformidad con la reivindicación 17, en donde la geometría del entramado se configura de tal modo que la resistencia específica del entramado sea mayor a la resistencia específica del vidrio metálico.

24. La cubierta de conformidad con la reivindicación 17, en donde el entramado tiene una geometría seleccionada del grupo que consiste en panal, prismática, hexagonal, cuadrada, triangular, diamante, y cerchas.

25. La cubierta de conformidad con la reivindicación 17, en donde el cuerpo tiene por lo menos una abertura.

26. La cubierta de conformidad con la reivindicación 25, en donde la o las aberturas se configuran para permitir el acceso al o los componentes electrónicos.

27. La cubierta de conformidad con la reivindicación 17, en donde el cuerpo comprende por lo menos dos piezas separadas que se interconectan en forma fija o movible.

28. La cubierta de conformidad con la reivindicación 17, en donde el cuerpo forma una cubierta para un electrónico seleccionado del grupo que consiste en teléfonos celulares, PDAs, computadoras portátiles, y cámaras digitales.

29. La cubierta de conformidad con la reivindicación 16, en donde la cubierta proporciona por lo menos protección de interferencia electrónica parcial al componente electrónico.