CN108796396A

CN108796396A - 辐射屏蔽结构

Info

Publication number: CN108796396A
Application number: CN201810510989.9A
Authority: CN
Inventors: J·W·斯特维克; T·A·沃纽克; Q·T·法姆
Original assignee: Crucible Intellectual Property LLC
Current assignee: Crucible Intellectual Property LLC
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2018-11-13
Also published as: EP2761047A1; US20140284503A1; KR20140070639A; CN103987871A; EP2761047B1; US10210959B2; WO2013052024A1

Abstract

本发明提供了包含块体凝固型无定形合金的辐射屏蔽结构，以及制备近似网状形式的辐射屏蔽结构和组件的方法。

Description

辐射屏蔽结构

本申请是申请人为2011年9月29日，发明名称为“辐射屏蔽结构”的中国专利申请201180075083.5的分案申请。

在本说明书中所引用的所有出版物、专利和专利申请均据此全文以引用方式并入。

技术领域

本发明涉及包含块体凝固型无定形合金的辐射屏蔽和影响结构，以及制备近似网状形式的辐射屏蔽结构和组件的方法。

背景技术

辐射屏蔽(有时称为辐射防护和放射防护)是一门保护人类和环境免受电离辐射(其包括粒子辐射和高能电磁辐射两者)的有害影响的科学。电离辐射广泛应用于工业和医学领域中，但其显示出显著的健康危害。其导致活组织的微观损伤，从而在高暴露时引起皮肤灼伤和辐射病，并且在低暴露时引起在统计学上增高的患上癌症、肿瘤及遭受遗传损伤的风险。在实施过程中，辐射屏蔽包括采用以下的其他方式影响辐射的传播：散射、准直、聚焦、重新定向或封装。

据辩称，由于不同辐射类型以独特的方式与凝聚物质(固体材料)相互作用，因此制备简单的辐射屏蔽结构将非常困难。不同类型的电离辐射以不同方式发挥作用，因此必须使用不同的屏蔽技术。粒子辐射包括带电或中性粒子流，所述带电或中性粒子包括带电离子和亚原子基本粒子两者。这包括太阳风、宇宙辐射以及核反应堆中的中子流。α粒子(氦核)的穿透性最弱。即使能量非常高的α粒子也能够被单张纸阻挡。β粒子(电子)的穿透性较强，但仍可被几毫米的铝吸收。然而，在发射高能β粒子的情况下，必须用低密度材料如塑料、木材、水或丙烯酸玻璃(树脂玻璃，Lucite)来实现屏蔽。这用于减少轫致X射线辐射的生成。在β+辐射(正电子)的情况下，来自电子-正电子湮没反应的γ辐射引起额外的关注。

中子辐射不像带电粒子辐射那样容易被吸收，这使得该类辐射具备高穿透性。中子在核反应中被原子核吸收。该现象在很多时候会产生二次辐射危害，因为吸收核变形成下一个更重的同位素，而这些同位素中的很多是不稳定的。宇宙辐射不受到普遍关注，因为地球的大气会将其吸收并且磁层充当其屏障，但是它对卫星和宇航员而言会造成问题，并且飞行常客也会承受轻微的风险。宇宙辐射具备极高的能量，并且穿透性很强。电磁辐射包括电磁波的发射，其中电磁波的特性取决于波长。X射线和γ辐射被具有重核的原子最佳地吸收；核越重，吸收就越好。在一些特殊应用中，使用了贫铀，但铅要常见得多；通常需要数厘米的厚度。在一些应用中还使用了硫酸钡。然而，当成本至关重要时，可以使用几乎所有的材料，但该材料必须厚得多。大多数核反应堆使用厚混凝土屏蔽来构建生物防护罩，该生物防护罩在内部具有铅的薄水冷层以保护多孔混凝土免受内部冷却剂侵蚀。混凝土还使用诸如重晶石的重骨料来制备，以有助于强化混凝土的屏蔽特性。紫外线(UV)辐射是电离辐射，但其不具备穿透性，因此其可通过诸如防晒剂、衣服和护目镜等薄的不透明层来屏蔽。防护紫外线比防护上述其他形式的辐射更简单，因此通常将其独立地考虑。在一些情况下，当辐射与屏蔽材料相互作用并产生更容易吸收进有机体中的二次辐射时，不恰当的屏蔽可能实际上使情况变得更糟。

来自放射性同位素或放射性核素的辐射通常由在核衰变过程中发射的高能粒子或射线组成。此类辐射通常不包括非电离辐射(诸如无线电-微波、可见光、红外光或紫外光)。然而，来自自发的核衰变机制的辐射可产生α粒子、β粒子、γ射线、高能X射线、中子、高速电子、高速质子及其他粒子，这些粒子能够产生离子。在这些发射中，γ辐射和高能X射线辐射是生物有机体、灵敏电子设备等所接触的最常见形式的有害辐射(无论该辐射是人造的还是自然发生的)，因此在最常见的情况下，需要独特且有效的屏蔽解决方案。

众所周知，针对γ射线和高能X射线的原子屏蔽机制的有效性取决于屏蔽材料的原子序数和密度。具有较高原子序数的更为致密的屏蔽材料是用于高能X射线和γ射线的较好屏蔽材料。例如，铅比元素周期表中大致80％的元素重，并具有高原子序数；因此，铅是大多数辐射屏蔽结构所使用的主要材料。尽管存在具有更高密度的其他元素，诸如钽和钨，但由于铅容易获得、便于制造且具有更低的成本，因此选择铅。

在过去，高能(电离)辐射屏蔽结构通常已经是大尺寸结构，诸如可用于容纳辐射源的建筑物和大型容器。因而，除材料应具备屏蔽辐射的一般有效性之外，还没有对材料的结构特性提出严格要求。因此，混凝土和铅已经是用于构造此类大型结构的合格材料。

然而，由铅和混凝土制成的常规辐射屏蔽结构对于在一些过程和应用中发现的高能辐射的愈发复杂的使用是不够的。例如，在诸如医疗和食品消毒等领域中使用辐射就要求具有与传统的混凝土和铅相比类似或更佳性能特征的辐射屏蔽结构，但该结构由高性能且高强度的材料制成。此外，在这些应用的一些中，如在短距离放射治疗中，期望将辐射导向到高度局部化的区域中。这些结构需要是高度紧凑且细长的，同时还要求高度的结构完整性以及对辐射屏蔽的高度有效性。此外，需要组装了活动部件的、或具有对腐蚀环境的抵抗性的、或具备生物相容性的、或在复杂形状下具有高度结构完整性的新型辐射屏蔽结构，以便推广放射性辐射在这些不同应用中的使用。例如，辐射屏蔽结构可采用众多不同的形状和尺寸，诸如罐、机罩、框架、各种结构的活动部件以及机器设备。理想的是，屏蔽结构是拓扑连续的均匀结构。然而，为了执行各种功能，诸如沿某些方向或者在具有活动部件的设备中注入测得剂量的辐射，辐射屏蔽结构可以仅部分地封闭放射源或者可具有用于执行外围功能的一个或多个组件。例如，放射性容器的装载锁定设备可能需要频繁打开和关闭，并因此所述结构可包括若干活动部件和框架。一般来讲，任何此类辐射屏蔽结构或其组件仍必须将辐射衰减至低于最大容许水平的水平，以提供在放射源外部的充分屏蔽防护。在另一种形式中，辐射屏蔽结构可用作放射线照相术中的标记物，其优先地阻挡辐射的路径，诸如对体内的整形外科设备(支架等)进行成像和定位或者在质子束治疗中对肿瘤进行定位。在这种情况下，期望放射线照相术标记物具备高度生物相容性。

由铅制成的辐射屏蔽构造的主要缺点在于其毒性和有限的结构完整性。相比之下，在诸如钢、铝和钛的结构和机器设备中使用的典型工程材料不具备良好的屏蔽效能且往往体积庞大。将其他普通合金应用到辐射屏蔽应用中也具有缺陷。例如，钽不仅机械强度低，还非常昂贵。另一方面，虽然钨具有较高的强度，但其非常难以制成复杂的形状。钨浸渍塑料鉴于其可成形性和成本上的降低已经被开发出来，然而较之于纯钨，其屏蔽效能显著降低。此外，塑料通常不具有足够的强度，并因此可能不易获得紧凑且细长的设计。塑料还容易在环境中劣化。

因此，需要开发出提供有效辐射屏蔽的新型辐射屏蔽结构，该新型辐射屏蔽结构抗腐蚀、具备生物相容性且能够成形为具备高度结构完整性和耐久性的细长且紧凑的设计。

根据本文实施例的针对辐射屏蔽结构的所提议解决方案将使用块体凝固型无定形合金进行辐射屏蔽。块体凝固型无定形合金或块体金属玻璃(“BMG”)为最近开发的一类金属材料。这些合金可以以相对较慢的速度凝固和冷却，并且它们在室温下保持无定形的非结晶(即，玻璃态)状态。无定形合金具有许多比其晶态对应物优越的特性。然而，如果冷却速度不够快，则晶体可能在冷却期间形成于合金内部，使得无定形状态的有益效果可能丧失。例如，制造块体无定形合金部件的一个挑战在于由缓慢冷却或合金原材料中的杂质所导致的部件的局部结晶。由于在BMG部件中期望高程度的非晶度(相反地，低程度的结晶度)，因此需要开发用于浇铸具有受控量的非晶度的BMG部件的方法。

发明内容

如上所述，存在可能需要不同种类的屏蔽的不同种类的辐射。本文的实施例包括用于屏蔽类似如图2(a)中所示射频体系中的辐射的低能辐射的块体金属玻璃的辐射屏蔽结构，所述辐射在电磁谱的千赫和兆赫区域中。这些低能辐射屏蔽结构还屏蔽可见光、红外光和紫外光，因为这些结构对于这些辐射的频率是不透明的。本文的实施例还包括用于高能辐射(类似X射线和γ射线)以及α辐射、中子辐射或甚至宇宙射线的具有极高密度和很高原子序数的块体金属玻璃的辐射屏蔽结构，所述宇宙射线是与如图2(b)所示的可见光体系相比频率更高的基本上高能光子。本文实施例的辐射屏蔽结构可以有效地阻断低能粒子辐射和高能粒子辐射两者。

附图说明

图1(a)提供了一种示例性块体凝固型无定形合金的温度-粘度图。

图1(b)提供了用于一种示例性块体凝固型无定形合金的时间温度转变(TTT)图的示意图。

图1(c)为根据本文实施例中一个示例性实施例的一种辐射屏蔽结构的示意图，其中该结构的至少一个组件由辐射屏蔽块体凝固型无定形合金制成。

图1(d)为根据本文实施例中第一示例性实施例的一种制造辐射屏蔽结构的方法的流程图。

图1(e)为根据本文实施例中第二示例性实施例的一种制造辐射屏蔽结构的方法的流程图。

图2(a)提供了用作低能辐射的辐射屏障的一种块体金属玻璃(块体凝固型无定形合金)的示意图。

图2(b)提供用作高能辐射的辐射屏障的一种块体金属玻璃(块体凝固型无定形合金)的示意图。

图3的第1至第7项示出了由块体凝固型无定形合金制成的不同辐射屏蔽结构。

图4将锆基块体凝固型无定形合金的医学植入物与铜基医学植入物的磁共振成像(MRI)结果进行比较。

图5示出了块体金属玻璃在对电子设备和微电子设备进行辐射屏蔽中的应用。

具体实施方式

在本说明书中引用的所有出版物、专利和专利申请均据此全文以引用方式并入。

本文所用冠词“一个”和“一种”是指一个或多于一个(即，至少一个)该冠词的语法对象。以举例的方式，“聚合物树脂”意指一种聚合物树脂或多于一种聚合物树脂。本文所引用的任何范围均包括端值在内。在本说明书的全文中所用的术语“基本上”和“约”用于描述并考虑小的波动。例如，它们可以指小于或等于±5％，例如小于或等于±2％、例如小于或等于±1％、例如小于或等于±0.5％、例如小于或等于±0.2％、例如小于或等于±0.1％、例如小于或等于±0.05％。

块体凝固型无定形合金或块体金属玻璃(“BMG”)为最近开发的一类金属材料。这些合金可以以相对较慢的速度凝固和冷却，并且它们在室温下保持无定形的非结晶(即，玻璃态)状态。无定形合金具有许多比其晶态对应物优越的特性。然而，如果冷却速度不够快，则晶体可能在冷却期间形成于合金内部，使得无定形状态的有益效果可能丧失。例如，制造块体无定形合金部件的一个挑战在于由缓慢冷却或合金原材料中的杂质所导致的部件的局部结晶。由于在BMG部件中期望高程度的非晶度(相反地，低程度的结晶度)，因此需要开发用于浇铸具有受控量的非晶度的BMG部件的方法。

图1(a)示出了来自由液态金属科技公司(Liquidmetal Technology)制造的Zr--Ti--Ni--Cu--Be族VIT-001系列的一种示例性块体凝固型无定形合金的粘度-温度曲线图。应该指出的是，在形成无定形固体期间，不存在块体凝固型无定形金属的明显液体/固体转变。随着过冷却逐渐扩大，熔融的合金变得越来越粘，直至其在大约玻璃化转变温度处接近固体形式。因此，块体凝固型无定形合金的凝固前沿的温度可为大约玻璃化转变温度，此处出于拔出经淬火的无定形片材产品的目的，合金将实际上充当固体。

图1(b)(得自美国专利No.7,575,040)示出了一种示例性块体凝固型无定形合金的时间温度转变(TTT)冷却曲线或TTT图。与常规金属一样，块体凝固型无定形金属在冷却时不会经历液体/固体结晶转变。相反，随着温度降低(接近玻璃化转变温度Tg)，在高温(接近“熔融温度”Tm)下发现的高度流体化的非晶态形式金属变得更粘，最终呈现常规固体的外在物理特性。

尽管块体凝固型无定形金属并不存在液体/结晶转变，但可将“熔融温度”Tm定义为对应结晶相的热力学液相线温度。在该机制下，块体凝固型无定形合金在熔融温度下的粘度可处于约0.1泊至约10,000泊的范围内，并且甚至有时低于0.01泊。在“熔融温度”下的较低粘度将提供使用块体凝固型无定形金属对壳体/模具的复杂精细部分进行更快且完全的填充，以便形成BMG部件。此外，熔融金属形成BMG部件的冷却速度必须使得在冷却期间时间温度曲线不横向穿过界定图1(b)的TTT图中的结晶区的鼻形区域。在图1(b)中，Tnose为其中结晶最为迅速且在最短时间尺度内出现的临界结晶温度Tx。

过冷液相区(介于Tg与Tx之间的温度区域)是抵抗块体凝固合金结晶的卓越稳定性的体现。在该温度区域内，块体凝固型合金可作为高粘滞液体存在。块体凝固型合金在过冷液相区中的粘度可以在玻璃化转变温度下的10¹²Pa·s与结晶温度(过冷液相区的高温极限)下的10⁵Pa·s之间变化。具有这种粘度的液体可在所施加的压力下经受显著的塑性应变。本文的实施例利用过冷液相区中的较大塑性成形性能作为成形和分离方法。

需要对Tx进行一些阐释。在技术上，TTT图中所示的鼻形曲线将Tx描述为温度和时间的函数。因此，不管在加热或冷却金属合金时采取的是何种轨线，当碰到TTT曲线时，就已达到Tx。在图1(b)中，将Tx示出为虚线，因为Tx可从接近Tm变化为接近Tg。

图1(b)的示意性TTT图示出了在时间-温度轨线(示出为(1)，作为一示例性轨线)不碰到TTT曲线的情况下，从处于或高于Tm至低于Tg的压铸加工方法。在压铸期间，成形与快速冷却基本上同时发生，以避免轨线碰到TTT曲线。在时间-温度轨线(示出为(2)、(3)和(4)，作为示例性轨线)不碰到TTT曲线的情况下，从处于或低于Tg至低于Tm的超塑性成形(SPF)(也称为热塑性成形)加工方法。在SPF中，将无定形BMG重新加热至过冷液相区，此处可用的加工窗口可能比压铸大得多，从而导致工艺具备更佳的可控性。SPF工艺不需要快速冷却来避免在冷却期间出现结晶。另外，如示例性轨线(2)、(3)和(4)所示，SPF可在SPF期间的最高温度高于Tnose或低于Tnose、最高至约Tm的情况下进行。如果对一件无定形合金进行加热且设法避免碰到TTT曲线，则已加热到“介于Tg与Tm之间”，但可能尚未达到Tx。

以20℃/分钟的加热速率得到的块体凝固型无定形合金的典型差示扫描量热仪(DSC)加热曲线主要描述了横跨TTT数据的特定轨线，其中可能看到在某个温度下的Tg、当DSC加热斜坡跨过TTT结晶起点时的Tx，以及当同一条轨线跨过熔融的温度范围时的最终熔融峰。如果以图1(b)中的轨线(2)、(3)和(4)的倾斜升温部分所示的快速加热速率来加热块体凝固型无定形合金，则可能完全避开TTT曲线，并且DSC数据可能示出加热时的玻璃化转变但无Tx。考虑此过程的另一种方式为，只要轨线(2)、(3)和(4)不碰到结晶曲线，这些轨线便可落在TTT曲线的鼻部(以及甚至高于此的地方)与Tg线之间温度的任何位置处。这仅仅意味着轨线的水平平台可能随着提高加工温度而大幅变短。

相

本文中的术语“相”可指在热力学相图中发现的相。相为遍及其中材料的所有物理特性基本上是一致的空间(如，热力学系统)区域。物理特性的实例包括密度、折射率、化学组成以及晶格周期性。将相简单地描述为材料的在化学上一致、在物理上不同和/或可机械分离的区域。例如，在处于玻璃罐中的由冰和水构成的系统中，冰块为一个相，水为第二相，而水上方的湿空气为第三相。罐的玻璃为另一种分离相。相可以指固溶体，其可以是二元、三元、四元或更多元的溶液或化合物，例如金属互化物。又如，无定形相不同于结晶相。

金属、过渡金属和非金属

术语“金属”是指正电性的化学元素。本说明书中的术语“元素”通常是指可见于元素周期表中的元素。在物理上，基态中的金属原子包含部分填充的带，具有接近占有态的空态。术语“过渡金属”为元素周期表中第3族至第12族中的任何金属元素，其具有不完全的内电子层，并且在一系列元素中在最大正电性和最小正电性之间起到过渡连接的作用。过渡金属的特征在于多重价、有色的化合物和形成稳定的络合离子的能力。术语“非金属”是指不具有丢失电子和形成阳离子能力的化学元素。

取决于应用，可使用任何合适的非金属元素，或它们的组合。合金(或“合金组合物”)可以包含多种非金属元素，例如至少两种、至少三种、至少四种、或更多种非金属元素。非金属元素可以是见于元素周期表的第13-17族中的任何元素。例如，非金属元素可以是F、Cl、Br、I、At、O、S、Se、Te、Po、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge、Sn、Pb和B中的任何一种。有时候，非金属元素也可以是第13-17族中的某些准金属(例如，B、Si、Ge、As、Sb、Te和Po)。在一个实施例中，非金属元素可以包括B、Si、C、P、或它们的组合。因此，例如，合金可以包括硼化物、碳化物、或这两者。

过渡金属元素可以是钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、汞、钅卢(rutherfordium)、钅杜(dubnium)、钅喜(seaborgium)、铍、钅黑(hassium)、钅麦(meitnerium)、钅达(ununnilium)、钅仑(unununium)和ununbium中的任何一种。在一个实施例中、包含过渡金属元素的BMG可以具有Sc、Y、La、Ac、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd和Hg中的至少一种。取决于应用，可以使用任何合适的过渡金属元素、或它们的组合。所述合金组合物可以包含多种过渡金属元素，例如至少两种、至少三种、至少四种、或更多种过渡金属元素。

当前所描述的合金或合金“样品”或“样本”合金可具有任何形状或尺寸。例如，所述合金可具有微粒形状，其可以具有例如球状、椭球状、线状、杆状、片状、薄片状或不规则形状的形状。所述微粒可以具有任何尺寸。例如，它可以具有介于约1微米与约100微米之间的平均直径，例如介于约5微米与约80微米之间、例如介于约10微米与约60微米之间、例如介于约15微米与约50微米之间、例如介于约15微米与约45微米之间、例如介于约20微米与约40微米之间、例如介于约25微米与约35微米之间的平均直径。例如，在一个实施例中，微粒的平均直径介于约25微米与约44微米之间。在一些实施例中，可以使用更小的微粒例如纳米范围内的微粒，或者更大的微粒例如大于100微米的那些。

合金样品或样本还可以具有大得多的尺度。例如，它可以是块体结构组件，例如铸块、电子设备的外壳/保护套或甚至是具有在毫米、厘米或米范围内的尺度的结构组件的一部分。

固溶体

术语“固溶体”是指固体形式的溶体。术语“溶体”是指两种或更多种物质的混合物，其可为固体、液体、气体或这些的组合。该混合物可为均质或异质的。术语“混合物”是彼此结合并且通常能够分离的两种或更多种物质的组合物。一般来讲，这两种或更多种物质不彼此化学结合。

合金

在一些实施例中，本文所描述的合金组合物可被完全合金化。在一个实施例中，术语“合金”是指两种或更多种金属的均质混合物或固溶体，其中一种金属的原子取代或占据其他金属的原子之间的间隙位置；例如，黄铜是锌和铜的合金。与复合物不同，合金可以是指金属基体中的一种或多种元素的部分或完全的固溶体，诸如金属基体中的一种或多种化合物。本文的术语合金可以指可给出单一固相微结构的完全固溶体合金以及可给出两种或更多种相的部分溶体两者。本文所描述的合金组合物可以指包含合金的合金组合物，或包含含合金复合物的合金组合物。

因此，完全合金化的合金可具有均匀分布的成分，不管是固溶体相、化合物相还是这两者。本文所使用的术语“完全合金化”可考虑误差容限内的微小变化。例如，其可以指至少90％合金化的，例如至少95％合金化的，例如至少99％合金化的，例如至少99.5％合金化的，例如至少99.9％合金化的。本文的百分比可以指体积百分比或重量百分比，这取决于上下文。这些百分比可由杂质平衡，其就组成或相而言，可能不是合金的一部分。

无定形或非晶态固体

“无定形”或“非晶态固体”是缺乏作为晶体特性的晶格周期性的固体。如本文所用，“无定形固体”包括“玻璃”，其是在加热时通过玻璃化转变而软化并转变成类液体状态的无定形固体。一般来讲，尽管无定形材料因化学键的性质而可在原子长度尺度下具有一些短程有序，但是它们缺乏晶体的长程有序特性。基于通过结构表征技术诸如X射线衍射和透射电子显微镜法所确定的晶格周期性，可得出无定形固体和晶态固体之间的区別。

术语“有序”和“无序”指定多粒子系统中一些对称性或相关性的存在或不存在。术语“长程有序”和“短程有序”基于长度尺度来区分材料中的有序。

固体中最严格形式的有序是晶格周期性：不断重复一定的样式(晶胞中的原子排列)以形成平移不变的空间拼接(tiling)。这是晶体的定义特性。可能的对称性分为14个布拉维(Bravais)晶格和230个空间群。

晶格周期性暗示长程有序。如果仅已知一个晶胞，则通过平移对称性可准确地预测在任意距离处的所有原子位置。反过来通常是正确的，除了例如在具有完美确定性拼接但不具有晶格周期性的准晶体中之外。

长程有序表征其中相同样品的遥远部分展现相关行为的物理系统。这可表示为相关性函数，即自旋-自旋相关性函数：G(x，x′)＝<s(x)，s(x′)>。

在上面的函数中，s为自旋量子数，并且x为特定系统中的距离函数。当x＝x'时该函数等于1，并且随着距离|x-x'|增加而减小。通常，其在较大距离处指数衰减至零，并且认为该系统为无序的。然而，如果相关性函数在大的|x-x'|处衰减至常数值，则可认为该系统具有长程有序性。如果其作为距离的幂衰减至零，则可称其为准长程有序。注意，“大的|x-x'|”的数值是相对的。

当定义其行为的一些参数为不随时间变化的随机变量时，则可认为系统呈现淬火无序，即它们是淬火或冷冻的，如自旋玻璃。当允许随机变量自身变化时，其与退火无序相反。本文的实施例包括包含淬火无序的系统。

本文所述的合金可为晶态、部分晶态、无定形、或基本上无定形。例如，合金样品/样本可包括至少一些结晶度，具有处于纳米和/或微米范围内的尺寸的晶粒/晶体。作为另外一种选择，合金可为基本上无定形的，例如完全无定形的。在一个实施例中，合金组合物至少基本上不是无定形的，例如为基本上晶态的，例如为完全晶态的。

在一个实施例中，晶体或多个晶体在另外的无定形合金中的存在可理解为其中的“结晶相”。合金的结晶度程度(或在一些实施例中简称为“结晶度”)可以指存在于合金中的结晶相的量。所述程度可以指例如存在于合金中的晶体的分数。所述分数可以指体积分数或重量分数，这取决于上下文。对无定形合金的“无定形”的量度可以是非晶度。非晶度可用结晶度的程度来衡量。例如，在一个实施例中，具有低程度的结晶度的合金可被认为具有高程度的非晶度。在一个实施例中，例如，具有60体积％结晶相的合金可具有40体积％无定形相。

无定形合金或无定形金属

“无定形合金”为具有大于50体积％的无定形含量、优选大于90体积％的无定形含量、更优选大于95体积％的无定形含量、并且最优选大于99体积％至几乎100体积％的无定形含量的合金。注意，如上所述，非晶度高的合金相当于结晶度程度低。“无定形金属”为具有无序的原子尺度结构的无定形金属材料。与为晶态并因此具有高度有序的原子排列的大多数金属相比，无定形合金为非结晶的。其中这种无序结构由冷却期间的液体状态直接产生的材料有时被称为“玻璃”。因此，通常将无定形金属称为“金属玻璃”或“玻璃态金属”。在一个实施例中，块体金属玻璃BMG可以指其微结构至少部分地为无定形的合金。然而，除了极快速冷却以外还存在几种方法来制备无定形金属，包括物理气相沉积、固态反应、离子辐照、熔融纺丝和机械合金化。不管无定形合金是如何制备的，它们可能均为单一类材料。

无定形金属可通过多种快速冷却方法制备。例如，可通过将熔融金属溅射到旋转金属盘上来制备无定形金属。在上百万度每秒的级别上的快速冷却对于晶体形成来说可能太快，并因此将材料“锁定”在玻璃状态。此外，可以以低得足以允许厚层中无定形结构形成的临界冷却速率来制备无定形金属/合金，如块体金属玻璃。

术语“块体金属玻璃”(“BMG”)、块体无定形合金(“BAA”)和块体凝固型无定形合金在本文中可互换使用。它们是指具有至少在毫米范围内的最小尺度的无定形合金。例如，所述尺度可为至少约0.5mm、例如至少约1mm、例如至少约2mm、例如至少约4mm、例如至少约5mm、例如至少约6mm、例如至少约8mm、例如至少约10mm、例如至少约12mm。取决于几何形状，所述尺度可以指直径、半径、厚度、宽度、长度等。BMG也可为具有在厘米范围内(例如至少约1.0cm、例如至少约2.0cm、例如至少约5.0cm、例如至少约10.0cm)的至少一个尺度的金属玻璃。在一些实施例中，BMG可具有至少在米范围内的至少一个尺度。BMG可呈现上述的与金属玻璃有关的任何形状或形式。因此，在一些实施例中，本文所述的BMG在一个重要方面可能不同于通过常规沉积技术制成的薄膜—前者可具有比后者大得多的尺度。

无定形金属可为合金，而不是纯金属。该合金可包含显著不同尺寸的原子，从而导致熔化状态中的低自由体积(并因此具有比其他金属和合金更高数量级的粘度)。该粘度防止原子充分移动以形成有序的晶格。材料结构可导致冷却期间的低收缩率和对塑性变形的抵抗性。晶界的不存在、在一些情况下晶态材料的弱点可例如导致对磨损和腐蚀的较好抵抗性。在一个实施例中，无定形金属(技术上讲，亦即玻璃)还可比氧化物玻璃和陶瓷坚韧得多且不那么脆。

无定形材料的热导率可低于其晶态对应物的热导率。为了即使在较缓慢冷却期间仍实现无定形结构的形成，该合金可由三种或更多种组分组成，从而导致具有较高势能和较低形成几率的复杂晶体单元。无定形合金的形成可取决于多个因素：合金的组分的组成；组分的原子半径(优选具有超过12％的显著区别以获得高堆积密度和低自由体积)；以及混合组分的组合、抑制晶体成核并延长熔融金属处于过冷却状态的时间的负热量。然而，由于无定形合金的形成基于很多不同的变量，因此可能难以事先确定合金组合物是否形成无定形合金。

例如，具有磁性金属(铁、钴、镍)的硼、硅、磷和其他玻璃形成剂的无定形合金可为磁性的，具有低矫顽磁力和高电阻。高电阻导致在经受交变磁场时因涡流所致的低损耗，例如作为变压器磁芯的有用特性。

无定形合金可具有多种潜在的有用特性。具体地，它们倾向于比类似化学组成的晶态合金更强，并且它们可维持比晶态合金更大的可逆(“弹性”)变形。无定形金属的强度直接源于它们的非晶态结构，所述非晶态结构可能不具有限制晶态合金强度的任何缺陷(例如位错)。例如，一种现代无定形金属，称为Vitreloy^TM，具有几乎是高级钛的抗拉强度的两倍的抗拉强度。在一些实施例中，室温下的金属玻璃是不延展的并且当在受力情况下加载时倾向于突然失效，这限制了在可靠性-临界应用中的材料可应用性，因为即将发生的失效是不可见的。因此，为了克服该挑战，可以使用具有包含延展的晶态金属的枝晶粒子或纤维的金属玻璃基体的金属基体复合材料。作为另外一种选择，可以使用倾向于导致脆化的一种或多种元素(例如，Ni)含量低的BMG。例如，可以使用不含Ni的BMG来提高BMG的延展性。

块体无定形合金的另一种有用特性是它们可为真玻璃；换句话讲，它们可在加热时软化并且流动。这可允许以与聚合物几乎相同的方式进行简单加工，例如通过注塑进行简单加工。因此，可使用无定形合金来制备运动器材、医疗设备、电子组件以及装备和薄膜。可经由高速氧燃料技术沉积无定形金属的薄膜作为保护性涂层。

材料可具有无定形相、结晶相或两者。无定形相和结晶相可具有相同的化学组成并且仅在微结构中不同，即一者为无定形微结构而另一者为晶态微结构。在一个实施例中的微结构是指由显微镜以25倍放大率或更高放大率显示的材料的结构。作为另外一种选择，这两个相可具有不同的化学组成和微结构。例如，组合物可为部分无定形、基本上无定形或完全无定形的。

如上所述，可通过合金中存在的晶体分数来测量非晶度的程度(并且反之为结晶度的程度)。该程度可以指合金中存在的结晶相的体积分数或重量分数。部分无定形组合物可以指其至少约5体积％(例如至少约10体积％、例如至少约20体积％、例如至少约40体积％、例如至少约60体积％、例如至少约80体积％、例如至少约90体积％)是无定形相的组合物。已经在本申请的其他地方定义了术语“基本上”和“约”。因此，至少基本上无定形的组合物可以指其至少约90体积％(例如至少约95体积％、例如至少约98体积％、例如至少约99体积％、例如至少约99.5体积％、例如至少约99.8体积％、例如至少约99.9体积％)为无定形的组合物。在一个实施例中，基本上无定形的组合物可具有在其中存在的一些附带的轻微量的结晶相。

在一个实施例中，相对于无定形相，无定形合金组合物可为均质的。在组成上均一的物质为均质的。这与为异质的物质相反。术语“组成”是指物质中的化学组成和/或微结构。当将物质的体积划分成两半并且两半均具有基本上相同的组成时，该物质为均质的。例如，当微粒悬浮液的体积分为两半且两半均具有基本上相同体积的粒子时，该微粒悬浮液为均质的。然而，在显微镜下可能看到单独的粒子。均质物质的另一个实例为空气，虽然空气中的粒子、气体和液体可单独分析或从空气中分离，但其中的不同成分相等地悬浮。

相对于无定形合金为均质的组合物可指具有在其整个微结构中基本上均匀分布的无定形相的组合物。换句话讲，该组合物宏观上包含在整个组合物中基本上均匀分布的无定形合金。在一可供选择的实施例中，该组合物可为具有无定形相的复合物，该无定形相中具有非无定形相。该非无定形相可为一种晶体或多种晶体。晶体可为任何形状例如球形、椭球形、线形、杆形、片形、薄片形或不规则形状的微粒形式。在一个实施例中，其可具有枝晶形式。例如，至少部分无定形的复合组合物可具有分散于无定形相基体中的枝晶形状的结晶相；该分散可为均匀或非均匀的，并且该无定形相和结晶相可具有相同或不同的化学组成。在一个实施例中，它们基本上具有相同的化学组成。在另一个实施例中，结晶相可以比BMG相更易延展。

本文所描述的方法可应用于任何类型的无定形合金。类似地，本文中描述的无定形合金作为组合物或制品的成分可为任何类型。无定形合金可包含元素Zr、Hf、Ti、Cu、Ni、Pt、Pd、Fe、Mg、Au、La、Ag、Al、Mo、Nb、Be、或它们的组合。即，该合金可包括这些元素以其化学式或化学组成的任何组合。所述元素可以以不同的重量或体积百分比存在。例如，铁“基”合金可以指具有不可忽略的重量百分比的铁存在于其中的合金，该重量百分比可为例如至少约20重量％、例如至少约40重量％、例如至少约50重量％、例如至少约60重量％、例如至少约80重量％。作为另外一种选择，在一个实施例中，上文所述的百分比可为体积百分比，而不是重量百分比。因此，无定形合金可为锆基、钛基、铂基、钯基、金基、银基、铜基、铁基、镍基、铝基、钼基等等。该合金还可以不含前述元素中的任一种，以适合特定目的。例如，在一些实施例中，该合金或包含合金的组合物可基本上不含镍、铝、钛、铍或它们的组合。在一个实施例中，该合金或复合物完全不含镍、铝、钛、铍或它们的组合。

例如，无定形合金可具有式(Zr,Ti)_a(Ni,Cu,Fe)_b(Be,A1,Si,B)_c，其中a、b和c各自代表重量或原子百分比。在一个实施例中，以原子百分比计，a在30至75的范围内，b在5至60的范围内，并且c在0至50的范围内。作为另外一种选择，无定形合金可具有式(Zr,Ti)_a(Ni,Cu)_b(Be)_c，其中a、b和c各自代表重量或原子百分比。在一个实施例中，以原子百分比计，a在40至75的范围内，b在5至50的范围内，并且c在5至50的范围内。该合金还可以具有式(Zr,Ti)_a(Ni,Cu)_b(Be)_c，其中a、b和c各自代表重量或原子百分比。在一个实施例中，以原子百分比计，a在45至65的范围内，b在7.5至35的范围内，并且c在10至37.5的范围内。作为另外一种选择，合金可具有式(Zr)_a(Nb,Ti)_b(Ni,Cu)_c(A1)_d，其中a、b、c和d各自代表重量或原子百分比。在一个实施例中，以原子百分比计，a在45至65的范围内，b在0至10的范围内，c在20至40的范围内，并且d在7.5至15的范围内。前述合金体系的一个示例性实施例为由Liquidmetal Technologies(CA,USA)制造的商品名为Vitreloy^TM(例如Vitreloy-1和Vitreloy-101)的Zr-Ti-Ni-Cu-Be基无定形合金。表1中提供了不同系统的无定形合金的一些实例。

无定形合金还可为铁基合金，例如(Fe,Ni,Co)基合金。此类组合物的实例在美国专利No.6,325,868、No.5,288,344、No.5,368,659、No.5,618,359和No.5,735,975、Inoue等人的Appl.Phys.Lett.(第71卷，第464页(1997年))、Shen等人的Mater.Trans.,JIM(第42卷第2136页(2001年))以及日本专利申请No.200126277(公开号2001303218A)中有所公开。一种示例性组合物为Fe₇₂Al₅Ga₂P₁₁C₆B₄。另一个实例为Fe₇₂Al₇Zr₁₀Mo₅W₂B₁₅。美国专利申请公开No.2010/0084052中公开了可用于本文涂层中的另一种铁基合金体系，其中无定形金属包含例如锰(1至3原子％)、钇(0.1至10原子％)以及硅(0.3至3.1原子％)，组成范围在括号内给出；并且包含以下元素：铬(15至20原子％)、钼(2至15原子％)、钨(1至3原子％)、硼(5至16原子％)、碳(3至16原子％)，并且余量为铁，组成范围在括号内给出。

前述的无定形合金体系还可包含附加的元素，例如附加的过渡金属元素，包括Nb、Cr、V和Co。所述附加的元素可以以小于或等于约30重量％、例如小于或等于约20重量％、例如小于或等于约10重量％、例如小于或等于约5重量％的量存在。在一个实施例中，附加的任选元素为钴、锰、锆、钽、铌、钨、钇、钛、钒和铪中的至少一种，以形成碳化物并进一步改善耐磨性和耐腐蚀性。其他的任选元素可包括磷、锗和砷，总量至多约2％，并且优选地少于1％，以降低熔点。否则，附带的杂质应小于约2％并且优选地0.5％。

表1：示例性无定形合金组成成分

在一些实施例中，具有无定形合金的组合物可包含少量的杂质。可有意地添加杂质元素以改变组合物的特性，例如改善机械特性(如，硬度、强度、断裂机制等)和/或改善抗腐蚀性。作为另外一种选择，杂质可作为不可避免的附带杂质(如作为加工和制造的副产物获得的那些)而存在。杂质可小于或等于约10重量％、例如约5重量％、例如约2重量％、例如约1重量％、例如约0.5重量％、例如约0.1重量％。在一些实施例中，这些百分比可为体积百分比，而不是重量百分比。在一个实施例中，合金样品/组合物基本上由无定形合金组成(仅具有少量的附带杂质)。在另一个实施例中，该组合物包含无定形合金(具有不可观察到的痕量杂质)。

生物相容性

生物相容性是指通过不具有毒性或者对生物系统不具有有害影响而可在生物上相容的特性。作为其强度和生物相容性的结果，生物相容性材料可在医疗设备中使用。在各种背景下，生物相容性与生物材料的表现有关。该术语可以指材料的具体特性，而不指定材料的使用位置或者使用方式(例如，其在给定有机体中引起极少免疫反应或完全不引起免疫反应，或者能够与特定细胞类型或组织相结合)，或者可以指一种或多种材料在其中起重要作用的整个设备的更具经验性的临床成功。

辐射屏蔽结构

在一个实施例中，最终的部件超过块体凝固型无定形合金的临界浇铸厚度。

在本文的实施例中，其中块体凝固型无定形合金可作为高粘滞液体存在的过冷液相区的存在允许超塑性成形。可以获得大的塑性变形。将在过冷液相区中发生大的塑性变形的能力用于成形和/或切割工艺。与固体相反，液体块体凝固型合金局部产生变形，这极大地降低了切割和成形所需的能量。切割和成形的容易性取决于合金、模具和切割工具的温度。随着温度提高，粘度下降，因此切割和成形就越容易。

本文的实施例可利用例如以无定形合金在Tg与Tx之间进行的热塑性成形工艺。在本文中，根据在典型加热速率(如20℃/分钟)下的标准DSC(差示扫描量热法)测量值，将Tx和Tg确定为结晶温度的起始点和玻璃化转变温度的起始点。

辐射屏蔽结构的无定形合金组件可以具有临界浇铸厚度，并且最终的部件可以具有比该临界浇铸厚度厚的厚度。此外，将加热和成型操作的时间和温度选择为使得无定形合金的弹性应变极限可基本上保持为不小于1.0％，并且优选地不小于1.5％。在本文实施例的上下文中，大约玻璃化转变的温度意指成形温度可低于玻璃化转变温度、处于玻璃化转变温度处或在玻璃化转变温度周围、以及高于玻璃化转变温度，但优选地处于低于结晶温度T_x的温度。采用与加热步骤的加热速率类似的速率，并且优选地采用高于加热步骤的加热速率的速率进行冷却步骤。冷却步骤还优选地在成形和成型负荷仍得以保持的同时实现。

电子设备

上述熔模铸造在涉及使用BMG的制造过程中可为有价值的。在一个实施例中，本文所述的方法可用作质量控制方法以检测BMG中晶体的存在，从而帮助改善系统以最小化或消除晶体的存在。本文的BMG制造工艺可例如为用于制备包含BMG的设备的那些。一种此类型设备是电子设备。

本文的电子设备可以指本领域已知的任何电子设备。例如，其可为电话诸如移动电话和座机电话，或任何通讯设备诸如智能电话(包括例如iPhone^TM)，以及电子邮件收/发设备。其可为显示器的一部分(例如数字显示器)、电视监视器、电子书阅读器、便携式网页浏览器(例如，iPad^TM)以及计算机监视器。其还可为娱乐设备，包括便携式DVD播放器、常规DVD播放器、蓝光碟片播放器、视频游戏控制台、音乐播放器例如便携式音乐播放器(如，iPod^TM)等。其还可为提供控制的设备的一部分，例如控制图像、视频、声音流(如，AppleTV^TM)，或其可为用于电子设备的遥控器。其可为计算机或其附件的一部分，例如硬盘塔外壳或保护套、膝上型计算机外壳、膝上型计算机键盘、膝上型计算机轨迹触摸板、台式计算机键盘、鼠标和扬声器。该制品还可以应用于例如手表或时钟的设备。

本文实施例的块体金属玻璃可用于阻挡α辐射。具体地讲，BMG结构的缺乏避免BMG屏蔽结构被过早击穿，因为BMG的无定形结构可使BMG较不易被α粒子辐射损坏。也就是说，由于在BMG中不存在一旦α粒子嵌入到BMG中就将被辐射分解的晶态基体或结构，因此在α粒子辐射的作用下，BMG便可拦截该辐射比其他晶态金属辐射屏障更长的时间。因此，至少在屏蔽α粒子时，上述情况是使用块体金属玻璃的潜在有益效果。对于中子、宇宙射线和其他实际的高能射线而言，将需要高密度、高原子序数(还称为质子序数，并且通常由符号Z表示)的块体金属玻璃，其密度和原子序数分别高于铅的密度和原子序数。对于针对X射线和γ射线的辐射屏蔽结构而言，可以使用类似铅的材料，其中铅的原子序数为82且密度为11.34g·cm^-3。

本文实施例的块体凝固型无定形合金能够以约500K/s或更低的冷却速率冷却，然而基本上保持其无定形原子结构。因此，它们可被制备成1.0mm或更大的厚度，显著厚于通常不高于0.020mm的厚度且需要10⁵K/s或更高的冷却速率的常规无定形合金。美国专利No.5,288,344、No.5,368,659、No.5,618,359以及No.5,735,975公开了此类块体凝固型无定形合金，所述专利的公开内容全文以引用方式并入本文中。

与普通晶态金属和合金形成对照，在块体凝固型无定形合金的原子结构中不存在可辨别的图案。因此，块体凝固型无定形合金通常具有高强度和高硬度。例如，Zr基和Ti基无定形合金通常具有250ksi或更高的屈服强度，以及450维氏硬度或更高的硬度值。这些合金的铁基版本可具有高达500ksi或更高的屈服强度以及1000维氏硬度或更高的硬度值。因此，尤其是在Ti基和Fe基合金的情况下，这些合金显示出极佳的强度重量比。此外，块体凝固型无定形合金具有良好的抗腐蚀性和环境耐久性，Zr基和Ti基合金更是如此。无定形合金通常具有接近高达2.0％的高弹性应变极限，该极限比任何其他金属合金高得多。

一般来讲，块体无定形合金中的结晶析出物对无定形合金的特性非常不利，尤其是对这些合金的韧度和强度非常不利，因此通常优选的是将这些析出物的体积分数降至最低。然而，存在延展的结晶相在块体无定形合金的加工期间就地析出的情况，这些情况对块体无定形合金的特性(尤其是对合金的韧性和延展性)的确是有益的。包含此类有益析出物的此类块体无定形合金也包括在本文的实施例中。一个示例性情况在以引用方式并入本文的(C.C.Hays等人的Physical Review Letters(第84卷，第2901页，2000年))中公开。

因此，辐射屏蔽结构可整体由块体凝固型无定形合金构造，或者辐射屏蔽结构的各种组件可由块体凝固型无定形合金制成。块体凝固型无定形合金的高强度、高硬度、抗腐蚀性和耐磨性可提供抵抗机械和环境侵害的高度结构完整性和耐久性。辐射屏蔽结构及组件的尺寸和形状将取决于如下文的给定实例中的组件的特定功能。块体凝固型无定形合金的使用使得此类结构和组件尺寸可以从0.1mm厚度最多至数毫米厚度，从而提供高度结构完整性和对辐射的有效屏蔽。

任何辐射屏蔽结构的屏蔽效能可通过公式1进行数学描述：

I/I_o＝exp(-μt), 公式1

其中分别地，I_o是入射辐射强度，I是现有辐射强度，μ是线性衰减系数，t是屏蔽壁的厚度。一般来讲，μ与较高的原子序数和较高的密度相关，且较大的μ反映较高的屏蔽效能。块体凝固型无定形合金通常具有多组分化学组成，其可为了该特性而通过以高原子序数和高密度为目标进行优化。无定形结构通常具有各个原子的随机致密堆积，因此通常在其特性中缺乏任何方向性。因此，块体无定形合金的屏蔽效能与其组成元素的平均原子序数相关，而与方向性不存在任何联系。

可对块体凝固型无定形合金的组成进行调节以拥有具有较高原子序数的原子，从而在基本上不损失诸如高强度、高硬度、高弹性极限和高抗腐蚀性的物理特性的情况下改善屏蔽效能。此外，仍可如下文所述对用于制造块体无定形合金的近似网状组件的方法加以利用。这与普通金属以及钢、钛和铝的合金形成鲜明对比，其中通过添加诸如钨、钽、铪及锆的重元素进行的显著合金化通常会损失此类合金的高性能特征。例如，Zr基块体无定形合金通常具有比典型的钢更高的平均原子序数，并因此具有更有效的辐射屏蔽。此外，在此类合金中，锆可被铪以显著的量取代，从而进一步提高辐射屏蔽的效能。

包含块体凝固型无定形合金的辐射屏蔽结构的优点在需要紧凑的封装和设计的结构中尤其可见。所讨论的常规材料的局限在这些结构中通过妨碍此类结构和组件的性能和功能的较庞大的设计和封装反映出来。例如，就由钛、铝或钢制成的结构而言，这些材料的内部辐射屏蔽不足够有效(由于原子序数较低)并因此必须利用材料的较厚层，从而导致较庞大的设计和封装，即便这些合金的一般机械和物理特性通常可以胜任其预期用途也是如此。另一方面，尽管钨和钽是出色的辐射屏蔽材料，但钽的制造难度、较高成本以及相对低的强度妨碍了对有效的设计和封装的制造。同时，钨浸渍塑料不具有足够的强度；因此需要结构是更庞大且更厚的。此外，尽管结构更厚，但由于壁主要是塑料，所以辐射屏障受到影响。

某些辐射屏蔽结构的庞大体积是高度不期望的，因为其可能潜在地妨碍对设备的操作以及其运行的成功。例如，虽然装载锁定门或机器人臂需要具有足够的强度以避免损坏，但最好也为此类设备提供紧凑的结构以确保此类设备能够在有限空间内移动。当对微电子设备(诸如便携式电子设备、生物植入物、医疗设备、研究设备)进行屏蔽时降低重量和庞大性也是有利的。由于部件的几何结构不受传统的机械加工技术的限制，因此BMT浇铸工艺允许从部件设计中消除所有不必要的体积。

这些屏蔽设备的紧凑设计和封装也增加了操作的简便性，尤其是对医疗设备和程序而言。例如，图1(c)提供了在短距离放射治疗期间用于将放射性药丸送入注射器或导管中的加载单元的示意图。由于该递送工具包含多个辐射源，因此必须将其屏蔽以防止对不需要的区域或者对医疗服务提供者和患者的健康细胞产生意外的辐射。尽管可以想到能够用常规材料来构造此类设备，但庞大的导管或针将需要更大的切口和更大的伤口，这继而将延长痊愈时间并降低病人的生活质量。此外，比期望的短距离放射治疗设备更大的设备可能妨碍操作的简便性以及测定辐射剂量进入预期区域的精确方向。具有高强度和高弹性极限的块体凝固型无定形合金允许形成可提高操作简便性的具有高稳定性的紧凑递送结构。

抗腐蚀性和耐磨性对具有活动部件的医疗设备而言也是极其重要的。例如，在图1(c)所示的短距离放射治疗设备中，组件需要抵抗医院中所使用的多种化学品、屏蔽辐射，并且具有足够的强度和紧凑性来执行平稳操作。块体凝固型无定形合金的高度抗腐蚀性在此类结构和组件中(尤其是对辐射屏蔽结构而言)是非常重要的。高度抗腐蚀的设备使得操作能够更安全，并且该设备在简单的灭菌过程之后可重新使用。耐磨性是使用块体凝固型无定形合金的另一优点，因为组件可在其使用期内维持其紧密度容限。

例如，放射性容器的装载锁定设备可能需要频繁打开和关闭，因此，所述结构可包括若干活动部件和框架。因此，重要的是，此类辐射屏蔽结构的组件沿着配合面以最小的间隙紧密配合。块体凝固型无定形合金在这些结构中的使用具有两个明显的优点。第一，它们能够以较低的成本以网状的形式制造成高公差尺寸。第二，由于这些材料具有高弹性极限和高强度，所以此类尺寸公差在组件的使用期内可得以保持。在使用较低强度的材料时，对此类组件的重复使用可导致随时间推移而变形和扭曲，从而由于组件之间的间隙增大而导致组件的性能和屏蔽效能下降。此外，块体凝固型无定形合金的高度抗腐蚀性阻止此类配合表面劣化，并防止由于腐蚀所致的辐射泄漏。具有较高耐磨性的块体凝固型无定形合金还可用于具有紧密接触和最小间隙的活动组件中，在此情况下接触表面不会过度磨损。

在另一种形式中，辐射屏蔽结构可用作放射线照相术中的标记物，所述放射线照相术诸如对体内的整形外科设备(支架等)进行成像和定位或者在质子束疗法中对肿瘤进行定位。块体凝固型无定形合金对辐射的高度屏蔽可提供对比度极高的成像，尤其是与人体组织的背景或者紧挨着人体中的其他医疗设备形成对比。在这种情况下，期望放射线照相术标记物是可高度生物相容的，并具有高原子序数。该应用涉及X射线、伽马摄像机、单正电子放射断层造影术(SPECT)、正电子放射断层造影术(PET)、计算机断层造影术(CT)以及其他视域成像技术。优选地，在这类应用中，块体凝固型无定形合金的原子序数的加权平均数(根据元素金属的原子百分比加权)大于40。

使用块体凝固型无定形合金制造辐射屏蔽结构和组件的复杂精细设计也存在诸多优点。在浇铸或模塑期间块体凝固型无定形合金的收缩非常小；因此，浇铸组件能够以最低限度的后期精加工进行使用。此外，可将诸如肋状物的几何因素结合到结构中，以实现更佳的结构完整性。块体凝固型无定形合金的辐射屏蔽结构和组件可通过浇铸无定形合金或模塑无定形合金进行制造。

使用浇铸工艺制造辐射屏蔽结构的一个示例性方法在图1(d)的流程图中示出，并包括以下步骤。

1)提供无定形合金(不一定是无定形的)的均质合金给料，并将该给料加热至高于熔融温度的浇铸温度；

2)将熔融的合金引入成型模具中；

3)将熔融的合金以足够快的冷却速率淬火至低于玻璃化转变温度的温度；以及

4)最终精加工。

由于缺乏一级相变，因此块体无定形合金从高于熔融温度下至玻璃化转变温度保持其流动性。这与常规金属和合金形成直接对比。因为块体无定形合金保持其流动性，所以在从其浇铸温度冷却至低于玻璃化转变温度时，它们不积聚明显的应力，因此，由热应力梯度所致的尺度失真可降至最低。因此，可经济有效地制备具有大表面积和小厚度的复杂精细结构。

使用模塑工艺制造辐射屏蔽结构的一个示例性方法在图1(e)的流程图中示出，并包括以下步骤。

1)提供无定形合金的片材给料，所述无定形合金基本上为无定形的，具有约1.5％或更大的弹性应变极限并具有30℃或更大的ΔT；

2)将给料加热至大约玻璃化转变温度；

3)将经加热的给料成型为所需形状；

4)将已形成的组件冷却至远低于玻璃化转变温度的温度；以及

5)最终精加工。

在本文中，如通过在典型加热速率(如20℃/分钟)下的标准DSC(差示扫描量热法)测量值所确定的，由结晶温度(T_x)的起始点与玻璃化转变温度(T_g)的起始点之间的差值给出ΔT。

优选地，所提供的无定形合金的ΔT高于60℃，并且最优选地高于90℃。此外，将加热和成型操作的时间和温度选择为使得无定形合金的弹性应变极限基本上保持为不小于1.0％，并且优选地不小于1.5％。在本文实施例的上下文中，大约玻璃化转变的温度意指成形温度可低于玻璃化转变温度、处于玻璃化转变温度处或在玻璃化转变温度周围、以及高于玻璃化转变温度，但优选地处于低于结晶温度T_x的温度。采用与加热步骤的加热速率类似的速率，并且优选地采用高于加热步骤的加热速率的速率进行冷却步骤。冷却步骤还优选地在成形和成型负荷仍得以保持的同时实现。

已经发现了多种具有使其适合于电磁屏蔽应用的高Z序数和/或电磁特性的BMG合金。在测量材料的阻挡能力时，增量“ΔI”(ΔI)是屏障之前与之后的辐射强度的差值。已知的是该值与执行阻挡的元素的原子序数Z的立方成比例。下表给出了对若干示例性BMG合金的阻挡能力的估计。每种材料的基于每种成分的原子％的平均Z序数、每种合金的Z3值以及通过计算铅的阻挡能力百分比得出的每种合金的阻挡能力与铅(一种非常普遍的屏蔽组件)的阻挡能力的比较结果。所引用的材料均不具有与铅一样高的对γ射线的阻挡能力，但环保得多且更具生物友好性，并且可用于铅完全不适用的生物应用中。其他高Z合金也是可行的。对于非电离辐射而言，材料的屏蔽特性由其导电性、磁导率和厚度所决定。在下表中，基于合金的主要成分来计算理论趋肤深度(辐射降低至其初始强度的1/e处的深度)。由于BMG材料的无定形性质，所以这是粗略近似值，但在缺乏经验数据的情况下给出了初始估计。许多BMG合金的完整电磁特性尚未开发。BMG合金的较高导电性和磁导率的组合降低了材料的趋肤深度，因此降低了由该材料制成的屏障的必要厚度，从而降低了成本、重量和体积。

可能出于多种原因将BMG材料用于屏蔽应用。第一个原因是，利用可由不同原子量的材料和不同量的每种原子量材料制成的不同合金组成，可得到BMG材料的不同导电性。因此，可以实际地调整材料的导电性以便具有特定的屏蔽特性，这对于在千赫和兆赫体系内的射频而言尤其有用。

第二个原因是，可根据需要定制BMG材料的密度。这不限于诸如铜或钢或铅的材料的单密度，而是可生成具有不同密度的不同材料。这说明可以具有落入密度标度内不同位置的BMG材料的不同组成，并且可以选择适于特定应用的特定组成。

第三个原因是BMG材料具备磁化系数，即，磁化率。磁化率(χ)是材料可在外磁场中被磁化的程度。如果χ为正，则材料可以是顺磁性的。在这种情况下，材料中的磁场被感应磁化增强。或者，如果χ为负，则材料是反磁性的。因此，材料中的磁场被感应磁化削弱。一般来讲，非磁性材料为所述的顺磁体或反磁体，因为它们在无外部磁场的情况下不具备永久磁化性。在该范围的远端是具有高χ且能够永久地磁化的材料。铁磁材料、亚铁磁性材料或反铁磁性材料具有高的正磁化率，即便在无外部磁场的情况下也具备永久磁化性。具有不同磁化率的磁性材料在不同的应用中可能是有益的。块体金属玻璃将使人们能够选择针对特定应用正好具有合适量的磁化的材料。

第四个原因是具有提高的抗腐蚀性，尤其是抵抗不同环境(诸如人体或动物体内的环境)的抗腐蚀性。甚至在存在将最终使其他金属劣化的离子的含水环境中、或在对金属有腐蚀性的有机环境中或任何类型的恶劣环境条件下，BMG往往均具有良好的抗腐蚀性。

第五个原因是具有热塑成形性能，从而能够以非常复杂的形状进行屏蔽。甚至对于将屏蔽想要置于其内部或外部的任何物体的复杂形状，要在无接缝或不进行焊接的情况下制造连续屏蔽也是非常容易的。这归因于可用于将块体金属玻璃热塑成形的成形工艺。热塑成形工艺可以是热成形或吹塑成形或挤出；它们可以相当容易地采用块体金属玻璃来制造不同的形状。

第六个原因是，可通过纳米尺度、微米尺度和宏观尺度的热塑成形来加工BMG，以用于对诸如大体积电子设备或大体积放射性流体等等的物品进行辐射屏蔽。

第七个原因是，较之于类似铅的当前屏蔽材料，BMG可被制成无毒的。

图3示出了块体金属玻璃的辐射屏蔽结构的不同形式。可例如通过封闭辐射源来屏蔽从内部的辐射源发出的辐射，或者可以通过封闭应受到保护以免受辐射伤害的主体来从外部进行屏蔽。

第1项仅是块体形式。可具有对粒子或辐射进行屏蔽的壁，使得将试图屏蔽的任何物体置于所述壁的一侧上，此时辐射发射器将位于另一侧上。

第2项是箔，它可用于对组件进行包裹，或者分层堆放在希望屏蔽的某物之上或者卷绕在希望屏蔽的某物周围，但是其将基本上是希望使用的任何块体金属玻璃的箔形式。

第3项是镀层，在该镀层处，可使用某种沉积方法来将块体金属玻璃沉积在试图屏蔽的任何结构之上。它将不必是诸如图3中绘出的板。它可能是任何形状，但其目的是屏蔽内部的任何物体或者对包含辐射的物体进行电镀以防止辐射外泄。请注意，第3项的镀层或衬底，或者第2项的箔可全部图案化以呈现对辐射透射或接收的一种具体图案，并且还可用于在射频波的情况下或者出于希望将它们图案化的任何原因来调整对辐射的接收或透射。

第4项是用于屏蔽辐射的吹塑结构。第5项是通过可用于形成块体金属玻璃的热成形工艺制成的密封容器。通过热成形工艺，可将两个块体金属玻璃组件密封在一起，以便例如使用环氧树脂或胶水而形成等同于金属焊缝或聚合物粘合的密封。热成形的密封的有益效果是焊缝线将具有与容器的其余部分相同的屏蔽特性，使得容器周围始终存在均匀的屏蔽。可将试图保护的任何物体置于结构/容器内部，或者可将辐射源置于结构/容器内部，使得辐射被容纳在所述结构内。

第6项是网片形式，例如，法拉第笼类型的设置，其中法拉第笼屏蔽某物以使其免遭辐射，但它不是材料的实心板；反之，它是细丝网片。取决于网片尺寸，可以屏蔽某物以使其免受不同频率的辐射侵害。第6项的结构可以是块体金属玻璃丝的基体，其可以是任何形状。网片形式的屏障可以被编织成板，或者其可能略成球形或是围绕需要保护的某种设备或物体或人的任何笼状物。

第7项是射频(RF)引导件，其可由导电的块体无定形合金材料，使用微图案化的表面设计而成，用于根据试图进行的操作将射频波沿一个方向传导进某物中或远离此物。可以将射频波引导至特定区域以供使用，或者可将射频波引导远离特定区域以进行自我保护。RF引导件由于碰巧与某些波长相互作用的这些微观结构而发挥作用，因此可将其调整至一定频率。可在射频体系中进行此操作，并且对于某些材料而言，也有可能在光学体系中进行此操作。图中的左旋和右旋称为左旋折射率和右旋折射率。可使用微图案化导电金属的这个方法来实际地生成左旋和负折射率材料。附图示出了RF通量被引导穿过RF引导件，即，RF频率和能量被传导穿过RF引导件的杆部。块体金属玻璃可用于制备RF引导件的原因在于其易于被图案化、易于被模塑成复杂形状并且将不必通过复杂的机械加工或蚀刻或激光烧蚀或任何其他昂贵的方法来制造。

图4示出了块体金属玻璃将如何用于暴露在辐射中的医学植入物中，特别地将锆基块体金属玻璃合金与铜进行了比较。第一行示出了这两种材料的磁化率(χ)。对于医学植入物而言，将优选地使用具有较低磁化率的某物，这意味着在将医学植入物置于外部磁场中时它将具有较低的磁响应。因此，如果将锆基块体金属玻璃的磁化率与铜的磁化率进行比较，那么将选择锆基块体金属玻璃—因为其具有较低的磁化率。对于MRI成像而言，如果在某人的身体内部具有正被成像的锆基块体金属玻璃，则由该片金属产生的伪影将少于由铜产生的伪影。因此，如果某人带有心脏起搏器，且该心脏起搏器具有由诸如锆基块体金属玻璃的块体金属玻璃制成的片件，则与使用具有较高的磁化率的材料制成的心脏起搏器相比，由于该块体金属玻璃材料，可期望在MRI图像中看到较少的干扰。

图5示出了块体金属玻璃用于对电子设备和微电子设备、在某种意义上即组件级电子设备、电阻器、电容器、电感、甚至小型集成电路或CPU、将用于电路板中的任何器件进行辐射屏蔽的应用。这些部件可以受到块体金属玻璃、箔、或沉积层、或围绕组件模塑的大块材料片的屏蔽。因此，所述应用可能用于保护组件以抵抗例如射频或甚至诸如γ射线或宇宙射线的更高频率辐射。还可以保护板级(意指PCB(印刷电路板)级)的电子设备。可使用箔或使用围绕板级电子设备的经块体模塑技术设计的屏蔽进行设计，使得组件再次受到保护以抵抗射频、干扰或甚至X射线和γ射线。图5示出了例如完全被BMG涂层或层封闭的PCB，其中整个设备将被块体金属玻璃屏障包住。例如，所述组件可用于电话或对电磁辐射敏感的其他电子设备，诸如麦克风或电机或进行传输或接收的任何器件(诸如扬声器或换能器)或沿着那些线路的某些器件。

屏蔽设计

取决于厚度，屏蔽以指数方式降低辐射的强度。这意味着在使用增加的厚度时，屏蔽倍增。例如，放射性尘埃掩蔽所内的实际屏蔽是堆积尘埃的十个减半厚度，即90cm(3英尺)的尘埃。这将γ射线降低至其初始强度的1/1,024(自身的十倍乘以1/2)。某些材料的使γ射线强度降低50％(1/2)的减半厚度包括：

上方图表中的“减半质量”列指示将辐射削减50％所需的材料的质量，以受保护区域的每平方厘米的克数计。屏蔽材料的有效性通常随其密度增加而增大。如上所述，块体凝固型无定形合金的密度可根据需要进行定制，从而允许制备具有不同辐射屏蔽效能的辐射屏蔽结构。

分级Z屏蔽

分级Z屏蔽是由具有不同Z值(原子序数)的若干材料形成的设计用于抵抗电离辐射的层压体。较之于单种材料的屏蔽，相同质量的分级Z屏蔽已显示出可以使电子穿透降低超过60％。它可用于基于卫星的粒子探测器，并提供若干有益效果：抵御辐射损伤；降低探测器的背景噪声；以及较之于单种材料的屏蔽，质量更低。

设计有所不同，但可能涉及从高Z元素(如，钽)相继地通过诸如锡、钢和铜的较低Z元素并通常以铝结束的梯度。有时，可以使用甚至更轻的材料，诸如聚丙烯或碳化硼。

在分级Z屏蔽的实施例中，高Z层有效地散射质子和电子。它还吸收产生X射线荧光的γ射线。每个后续层吸收前一材料的X射线荧光，从而最终将能量降低至合适的水平。能量的每次降低产生轫致辐射和俄歇电子，它们低于探测器的能量阈值。一些设计还包括铝外层，其可能只是卫星的表皮。

Claims

1.一种由块体凝固型无定形合金构成的辐射屏蔽结构，其中所述辐射屏蔽结构被配置成提供辐射屏蔽，并且所述块体凝固型无定形合金的原子序数的加权平均数大于30并且是无铅且生物相容性的。

2.根据权利要求1所述的辐射屏蔽结构，其中块体凝固型无定形合金的原子序数的加权平均数大于30，并且块体凝固型无定形合金的密度大于8.0g/cc。

3.根据权利要求1所述的辐射屏蔽结构，其中如根据块体凝固型无定形合金的元素金属的原子百分比进行加权计，原子序数的加权平均数大于50。

4.根据权利要求1所述的辐射屏蔽结构，其中所述辐射屏蔽结构包括包含所述块体凝固型无定形合金的网状浇铸组件。

5.根据权利要求1所述的辐射屏蔽结构，其中所述辐射屏蔽结构包括包含所述块体凝固型无定形合金的网状模制组件。

6.根据权利要求1所述的辐射屏蔽结构，其中所述辐射屏蔽结构包括包含所述块体凝固型无定形合金的网状热成形组件。

7.根据权利要求1所述的辐射屏蔽结构，其中所述块体凝固型无定形合金包括Zr-Hf基块体凝固型无定形合金。

8.根据权利要求1所述的辐射屏蔽结构，其中所述块体凝固型无定形合金包括Zr基块体凝固型无定形合金。

9.一种由生物相容的块体凝固型无定形合金构成的放射线照相术标记物，其中如根据块体凝固型无定形合金的元素金属的原子百分比进行加权计，原子序数的加权平均数大于40并且是无铅且生物相容性的。

10.一种制备由原子序数的加权平均数大于30的块体凝固型无定形合金构成的辐射屏蔽结构的方法，所述方法包括以近似网状形式将所述块体凝固型无定形合金成型以及形成所述辐射屏蔽结构。