CN101496223B - 大块凝固非晶态合金制成的天线结构 - Google Patents
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Abstract
描述了用大块凝固非晶态合金(bulk‑solidifying amorphous alloy)制成的天线结构以及用大块凝固非晶态合金制造天线结构的方法。大块凝固非晶态合金提供形式和形状的耐久性、对于化学和环境效应的优异的抵抗性、以及高度复杂的天线形状的低成本净形(net‑shape)制造。
Description
技术领域
本发明关于大块凝固非晶(态)合金制成的天线结构，具体关于包含由大块凝固非晶态合金制成的器件的天线结构。
背景技术
天线结构是设计用来为数据和语音传输的目的而接收和发射电磁信号的工具。在一个特定的形式中，接收天线，电磁信号在开放环境中被接收和收集并且转换成电流，电流随后被放大并解码成数据和语音信息。
传统天线结构一般由金属材料制成。传统材料的导电性和相对的结构完整性足以满足过去通信设备的要达到的目的。然而，移动通信的发展，诸如手机或蜂窝电话和其它无线电子设备的使用产生不断增加的数据传输，因此，对天线结构提出更多的要求，诸如要求更小更紧密的形状而能更有效地收集和转换电磁信号。用于手机的天线同样由新材料制成。例如，许多手机天线由涂有诸如金的高导电材料的塑料制成。塑料的低成本和易于制造使得复杂的天线设计结构可以做成为更紧凑的形状。然而，由于这些器件越来越小并更易折断，同时却在日常生活中更频繁地使用甚或被滥用，天线结构的性能稳定对于消费者是否能接受新一代手机或者其它无线电子设备变得至关紧要。
于是，存在对用于天线结构的新颖材料的需求，这种材料能提供对现有材料和结构缺陷的矫正。
发明内容
本发明主要是关于天线结构，其中至少结构的一部分是由大块凝固非晶态合金制成的。
在本发明的另一个实施方式中，天线结构采用开放正弦弯曲形状(open sinuousform)。
在本发明的又另一个实施方式中，天线结构采用二维渗透(percolating)形状。
在本发明的又另一个实施方式中，天线结构采用三维渗透形状。
在本发明的再另一个实施方式中，天线结构表面包括淀积的导电层。
在本发明的再另一个实施方式中，天线结构表面包括淀积的覆层或镀层，所述淀积的镀层包括一种或者多种贵金属。
在本发明的再另一个实施方式中，非晶态合金由以下分子式表示：(Zr，Ti)a(Ni，Cu，Fe)b(Be，Al，Si，B)c，其中以原子百分比计“a”的范围是30到75，“b”的范围是5到60，“c”的范围是0到50。
在本发明的再另一个实施方式中，非晶态合金由以下分子式表示：(Zr，Ti)a(Ni，Cu)b(Be)c，其中以原子百分比计“a”的范围是40到75，“b”的范围是5到50，“c”的范围是5到50。
在本发明的再另一个实施方式中，非晶态合金能保持高达1.5％或者更高的应变而不会永久变形或断裂。
在本发明的再另一个实施方式中，大块凝固非晶态合金具有60℃或者更高的ΔT。
在本发明的再另一个实施方式中，大块凝固非晶具有7.5Gpa或者更高的硬度。
在本发明的再另一个实施方式中，大块凝固非晶态合金具有400μΩ.cm或者更小的电阻率。
在另一个可替换的实施方式中，本发明还关于用大块凝固非晶态合金制造天线结构的方法。
附图说明
通过以下的详细描述，结合参考附图，本发明的这些以及其它特征和优点将得到更好的理解，其中：
图1，线状(wire form)天线结构示意形状(圆形截面)；以及
图2，薄带状(thin strip form)天线结构示意形状(矩形截面)。
图3示出了在一个实施例中的天线的示意图，其中，该天线包括接收和/或发送结构31、设备电路32，以及将接收和/或发送结构31连接到设备电路32的至少一个连接元件33。
具体实施方式
天线结构主要采用开放渗透结构并且可以是诸如盘子、连接杆(connectedpole)、线以及带的形状。一般，这些结构的一端或者两端通过将电磁信号转换成电流的连接元件连接到通信设备的电路上。图1和图2描绘了根据本发明的不同天线结构的示意形式。虽然这些图显示了可接受的天线设计结构，但是应该明白本发明也使用其它的天线形状。例如，通常天线结构采用正弦或者盘旋形状以改善电磁信号的增益和收集。天线结构特定的设计和形状对于电磁信号的有效收集和转换特别关键。由于电磁信号在天线不同部分被收集和转换成电流，为了天线高效率功能特性，这些收集和转换过程必须是“同相位的”。当天线的设计形状和形式发生变形扭曲，天线的效率和效用明显降低。
本发明关于用大块凝固非晶态合金制成的天线结构，大块凝固非晶态合金提供了形状和形式的耐久性、对于化学和环境作用的优异的的抵抗力、以及高度复杂的形状的低成本净形(net-shape)制造。本发明的另一个目标是用大块凝固非晶态合金制造天线结构的方法。
大块凝固非晶态合金是新近发现的非晶态合金族，其能在相当低的速率下被冷却，该冷却速率约为500K/sec或者更低，并且能基本保持其非晶态原子结构。同样地，它们能被制造成0.5mm或者更厚的厚度，明显比传统非晶态合金厚，传统非晶态合金典型地被限制在0.020mm的厚度并需要105K/sec或者更高的冷却速率。美国专利第5,288,344；5,368,659；5,618,359；以及5,735,975号公开了这种大块凝固非晶态合金，这些专利作为参考被完全并入本文。
大块凝固非晶态合金族可以被描述为(Zr，Ti)a(Ni，Cu，Fe)b(Be，Al，Si，B)c，其中以原子百分比计a的范围是30到75，b的范围是5到60，c的范围是0到50。此外，这些基本合金能容纳(accommodate)大量(多达20％原子百分比，或者更多)的其它过渡金属，诸如Nb，Cr，V，Co。优选金属族为(Zr，Ti)a(Ni，Cu)b(Be)c，其中以原子百分比计a的范围是40到75，b的范围是5到50，c的范围是5到50。还有，更优选的成分为(Zr，Ti)a(Ni，Cu)b(Be)c，其中以原子百分比计a的范围是45到65，b的范围是7.5到35，c的范围是10到37.5。另一个优选合金族为(Zr)a(Nb，Ti)b(Ni，Cu)c(Al)d，其中以原子百分比计a的范围是45到65，b的范围是0到10，c的范围是20到40，d的范围是7.5到15。
另一组大块凝固非晶态合金为黑色金属(Fe，Ni，Co)基的组合物。这些组合物的例子在美国专利6,325,868号，以及出版物(A.Inoue et.al.，Appl.Phys.Lett.，Volume 71，p464(1997))，(Shen et.al.，Mater.Trans.，JIM，Volume 42，p 2136(2001))，以及日本专利申请2000126277(公开号2001303218 A)中公开，所有这些都作为参考而被并入本文。此类合金的一个示例性的组合物为Fe72Al5Ga2P11C6B4。另一个示例性的组合物为Fe72Al7Zr10Mo5W2B15。虽然这些合金组合物不如Zr基合金系好处理，但是它们仍然能以1.0mm或者更厚的厚度被处理，这足够在本发明中使用。
大块凝固非晶态合金具有典型的高强度和高硬度。例如，Zr和Ti基的非晶态合金典型地具有的屈服强度为250ksi(千磅/平方英寸)或者更高并且硬度值为450Vicker(维氏硬度)或者更高。黑色金属基的合金可具有的屈服强度为500ksi或者更高并且硬度值为1000Vicker或者更高。同样的，这些合金呈现了优越的强度质量比。此外，大块凝固非晶态合金，尤其是Zr和Ti基的合金，具有良好的耐腐蚀性和环境耐久性。非晶态合金一般具有接近2.0％的高弹性应变极限，远高于其它金属合金。
总体上，大块非晶态合金的晶形沉淀(crystalline precipitate)对非晶态合金性能有很大的危害，尤其是对于这些合金的韧性和硬度，于是一般优选最小化这些沉淀的体积分数。然而，在有些情况，在大块非晶态合金处理期间，塑性晶相原位沉淀，其确实地有利于大块非晶态合金的性能，尤其是合金的韧性和延展性。包含这些有利的沉淀的此类大块非晶态合金同样包含在本发明中。一个示例在(CC.Hays et.al，Physical ReviewLetters，Vol.84，p 2901，2000)中公开，其作为参考被完全并入本文。
作为使用这些大块凝固非晶态合金的结果，本发明的天线结构的特性比由一般金属材料或者涂塑组合物制成的传统天线结构有了很大的改进。在生产天线结构中使用大块凝固非晶态合金令人惊奇和新颖的优点将通过以下不同实施例的描述得以体现。
首先，大块凝固非晶态合金的单一非晶原子结构(unique amorphous atomicstructure)提供了没有特征的微观结构，这种微观结构提供稳定的性能和特性，这些性能和特性能比传统金属合金明显更好地达到。多相以及多晶微观结构的主要缺点是不适于应用的。本发明人发现示例的大块凝固非晶态合金的表面能被抛得高度光滑，这样能为关键导电层提供一个极好的衬底。因此，大块凝固非晶态合金的反射表面的质量明显的好于传统金属和合金。
第二，大块凝固非晶态合金的高强度和高强度质量比的结合显著地减小了本发明的天线结构的总体重量和体积，从而降低这些天线结构的厚度而不危及结构整体性以及这些天线结构植入的移动设备的操作性。制造较薄壁天线结构的能力对于减小天线系统的体积以及提高单位体积的效率同样很重要。这个提高的效率对于天线结构在高级移动设备和装置上的应用尤其有用。
如所讨论的，大块凝固非晶态合金具有很高的弹性应变极限，典型地是1.8％或者以上。对于天线结构的使用和应用这是很重要的特性。尤其是，高弹性应变极限对于安装在移动设备的设备装置或者在经历机械载荷或震动的其它应用中是优选的。高弹性应变极限允许天线结构采用更复杂的形状并更薄更轻，高弹性应变极限同样允许天线结构承受载荷和弯曲而设备不发生永久形变或破坏，尤其是在组装的过程中。
其它传统的金属合金，虽然不是脆性的，然而却容易由于低的硬度值而发生永久形变、凹陷、刮痕。天线结构的大表面积和薄的厚度使得这些问题更加突出。然而，大块凝固非晶态合金具有适当的断裂韧性，在20ksi-sqrt(in)的数量级，并且具有高弹性应变极限，可达到2％。于是，可以获得高柔韧性但天线结构却不发生永久变形和凹陷。这样，由大块凝固非晶态合金制成的天线结构在制造和组装过程中很容易操作，从而减小了成本并提高了天线系统的性能。
此外，由大块凝固非晶态合金制成的天线结构还具有好的耐腐蚀性和高惰性。这些材料的高耐腐蚀性和惰性对于防止天线结构被天线结构和环境之间不希望的化学反应引起的衰变或退化十分有用。大块凝固非晶态合金的惰性对于天线结构的寿命同样十分重要，因为它不易衰变而造成对电性能的影响。
本发明的另一方面是制造具有各向同性特性的天线结构，尤其是制造具有各向同性微结构的天线结构。一般而言，金属件中的非各向同性微观结构，如拉长的晶粒(elongated grain)，往往造成金属件需要精确安装的相应部分的性能降低，诸如在形成的天线结构的接触表面上由于温度变化、机械力、以及物件经历的震动。此外，由于非各向同性微观结构，普通金属在不同方向上的不一致的反应同样要求更大的设计富余以进行弥补，而这将造成重且大体积的结构。因此，倘若天线结构具有错综复杂的图案以及相关的大表面积以及很薄的厚度，则根据本发明的天线结构的各向同性响应至少在某些设计中是很重要的，以及需要使用高强度建筑材料。例如，普通金属的铸件的机械强度一般都不好，并且在大表面积和小厚度的情况下会扭曲。因此，使用金属合金来铸造这种具有高平面度公差(或者精确的曲线形状)的大表面积通常不是可行的。此外，对于普通金属合金，需要延展轧制操作以产生具有要求的平面度和要求的高强度的金属天线结构。然而，在这种情形中，普通高强度合金的轧制产品在其微观结构中产生强烈的取向，因此缺乏希望的各向同性性能。确实，此类轧制操作一般会在金属合金中产生高度取向和拉长的晶粒结构，从而产生高非各向同性的材料。相反，由于大块凝固非晶态合金独特的原子结构，因此，其缺乏如在晶体和多晶粒金属中观察到的微观结构，并因而从这类合金形成的物件在宏观和微观级别上都是固有的各向同性。
本发明的另一目标是提供用大块凝固非晶态合金生产净形形式天线结构的方法。大块凝固非晶态合金的净形形成能力使复杂天线结构的制造具有高精度以及减少的加工步骤，例如弯曲和焊接，这些步骤会降低天线的性能。通过以净形形式生产天线结构，制造成本显著降低，同时保持形成的天线结构具有良好的平面度、包括精确曲线的复杂表面特征、以及在反射区域的高表面光洁度。
虽然相对于诸如铜的高导电性金属，大块凝固非晶态合金典型地具有更低的导电值，然而，这个缺点可以很容易地通过应用一种高导电层来弥补，诸如电镀镍和金层。大块凝固非晶态合金的净形形成工艺使其具有一致耐用的高导电性金属层，诸如金层。
一个示例的制造这种天线结构的方法包括以下步骤：
1)提供基本为无定形的非晶态合金片状原料，其具有约1.5％或者更高的弹性应变极限和具有30℃或者更高的ΔT；
2)加热所述原料大约到玻璃化转变温度；
3)将加热的原料定形成要求的形状；以及
4)冷却形成的片材到远低于玻璃化转变温度的温度。
其中，ΔT是在典型加热速率(例如20℃/min)下由标准DSC(示差扫描量热法)确定的开始结晶温度Tx与开始玻璃化转变温度Tg的差别。
提供的非晶态合金的ΔT优选地大于60℃，并且更优选地大于90℃。提供的片状原料可具有与最终的天线结构平均厚度相同的厚度。此外，选择加热和塑型或成形操作的时间和温度以使非晶态合金的弹性应变极限被基本保持在不低于1.0％，并且优选地不低于1.5％。在本发明的上下文中，玻璃化转变附近的温度意味着形成温度能在玻璃化转变温度之下、在玻璃化转变温度或者其附近、高于玻璃化转变温度，但是通常在结晶温度Tx以下。冷却步骤在类似于加热步骤中的加热速率的速率下执行，并且优选地大于加热步骤中的加热速率。冷却步骤优选地在形成和塑型负载仍然保持的时候完成。
一旦完成上述制造方法，如果需要，成形的天线结构经历进一步的表面处理操作，诸如从表面去除任何氧化物。化学蚀刻(有或者没有掩模版)以及轻磨和抛光操作都能够使用，以能够获得表面光洁度的改进。
根据本发明的另一个示例的制造天线结构的方法包括以下步骤：
1)提供非晶态合金(并非必须是非晶)的均质合金(homogeneous alloy)原料；
2)加热所述原料到高于熔化温度的铸造温度；
3)将熔融合金导入成形模具中；以及
4)将熔融金属淬火到玻璃化转变温度以下。
大块非晶态合金从熔化温度以上到玻璃化转变温度以下都保持其流动性，这是由于其没有一阶相变(first order phase transition)。这与传统金属以及合金形成直接对比。既然大块非晶态合金保持其流动性，在从其铸造温度降到玻璃化转化温度以下时，它们不会累积大量应力，并因此因热应力梯度导致的尺寸畸变或变形会被最小化。因此，具有大开口表面积和小厚度的天线结构能成本有效地生产。
虽然在此公开了特定实施例，但是可以预期的是本领域技术人员将能在所附权利要求范围内照字面意义或者按照等同原则设计出替代的非晶态合金天线结构以及生产所述天线结构的方法。
Claims (41)
1.一种天线，其包括：
接收和/或发送结构；以及
至少一个连接元件，其用来将所述接收和/或发送结构连接到设备电路，
其中所述接收和/或发送结构完全由大块凝固非晶态合金制成。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述接收和/或发送结构的厚度是1.0mm或者更大。
3.根据权利要求1所述的天线，其中所述天线完全由所述大块凝固非晶态合金制成。
4.根据权利要求1所述的天线，其中所述大块凝固非晶态合金具有1.5％或者更高的弹性应变极限。
5.根据权利要求1所述的天线，其中所述大块凝固非晶态合金具有1.8％或者更高的弹性应变极限。
6.根据权利要求1所述的天线，其中所述大块凝固非晶态合金具有4.5GPa或者更高的硬度。
7.根据权利要求1所述的天线，其中所述大块凝固非晶态合金具有200ksi或者更高的屈服强度。
8.根据权利要求1所述的天线，其中所述大块凝固非晶态合金具有400μΩ.cm或者更小的电阻率。
9.根据权利要求1所述的天线，其中所述接收和/或发送结构被高导电的金属材料包覆。
10.根据权利要求1所述的天线，其中所述接收和/或发送结构被Cu，Ni，Ag或者Au包覆。
11.根据权利要求1所述的天线，其中所述大块凝固非晶态合金由以下分子式表示：(Zr，Ti)a(Ni，Cu，Fe)b(Be，Al，Si，B)c，其中以原子百分比计“a”的范围是30到75，“b”的范围是5到60，“c”的范围是0到50。
12.根据权利要求1所述的天线，其中所述大块凝固非晶态合金由以下分子式表示：(Zr，Ti)a(Ni，Cu)b(Be)c，其中以原子百分比计“a”的范围是40到75，“b”的范围是5到50，“c”的范围是5到50。
13.根据权利要求1所述的天线，其中所述大块凝固非晶态合金具有60℃或者更高的ΔT。
14.一种天线，其包括：
接收和/或发送结构；以及
至少一个连接元件，其用来将所述接收和/或发送结构连接到设备电路，
其中，所述天线的至少一部分由厚度是0.5mm或者更大的大块凝固非晶态合金制成，并且所述接收和/或发送结构具有各向同性微观结构。
15.一种形成天线的接收和/或发送结构的方法，包括用大块凝固非晶态合金通过直接浇铸来净形制造所述接收和/或发送结构。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述直接浇铸包括在所述大块凝固非晶态合金处于高于所述大块凝固非晶态合金的熔化温度的浇铸温度的同时将所述大块凝固非晶态合金导入模具中。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述直接浇铸包括在所述大块凝固非晶态合金处于高于所述大块凝固非晶态合金的玻璃化转变温度的浇铸温度的同时将所述大块凝固非晶态合金导入模具中。
18.一种通信设备，其包括：
设备电路；以及
天线，该天线包括：
接收和/或发送结构，所述接收和/或发送结构完全由大块凝固非晶态合金制成；以及
至少一个连接元件，其将所述接收和/或发送结构连接到所述设备电路。
19.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述接收和/或发送结构的厚度是1.0mm或者更大。
20.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述天线完全由所述大块凝固非晶态合金制成。
21.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述大块凝固非晶态合金具有1.5％或者更高的弹性应变极限。
22.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述大块凝固非晶态合金具有1.8％或者更高的弹性应变极限。
23.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述大块凝固非晶态合金具有4.5GPa或者更高的硬度。
24.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述大块凝固非晶态合金具有200ksi或者更高的屈服强度。
25.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述大块凝固非晶态合金具有400μΩ.cm或者更小的电阻率。
26.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述接收和/或发送结构被高导电的金属材料包覆。
27.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述接收和/或发送结构被Cu，Ni，Ag或者Au包覆。
28.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述大块凝固非晶态合金由以下分子式表示：(Zr，Ti)a(Ni，Cu，Fe)b(Be，Al，Si，B)c，其中以原子百分比计“a”的范围是30到75，“b”的范围是5到60，“c”的范围是0到50。
29.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述大块凝固非晶态合金由以下分子式表示：(Zr，Ti)a(Ni，Cu)b(Be)c，其中以原子百分比计“a”的范围是40到75，“b”的范围是5到50，“c”的范围是5到50。
30.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述大块凝固非晶态合金具有60℃或者更高的ΔT。
31.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述通信设备包括无线通信设备。
32.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述通信设备包括蜂窝电话。
33.根据权利要求18所述的通信设备，其中所述接收和/或发送结构的形状为盘子状、杆状、线状或带状。
34.一种通信设备，其包括：
设备电路；以及
天线，该天线包括：
接收和/或发送结构；以及
至少一个连接元件，其将所述接收和/或发送结构连接到所述设备电路，
其中，所述天线的至少一部分由厚度是0.5mm或者更大的大块凝固非晶态合金制成，并且所述接收和/或发送结构具有各向同性微观结构。
35.根据权利要求34所述的通信设备，其中所述通信设备包括无线通信设备。
36.根据权利要求34所述的通信设备，其中所述通信设备包括蜂窝电话。
37.根据权利要求34所述的通信设备，其中所述接收和/或发送结构的形状为盘子状、杆状、线状或带状。
38.一种通信设备，其包括：
设备电路；以及
天线，该天线包括：
完全由具有各向同性微观结构的大块凝固非晶态合金制成的接收和/或发送结构；以及
至少一个连接元件，其用来将所述接收和/或发送结构连接到所述设备电路。
39.根据权利要求38所述的通信设备，其中所述通信设备包括无线通信设备。
40.根据权利要求38所述的通信设备，其中所述通信设备包括蜂窝电话。
41.根据权利要求38所述的通信设备，其中所述接收和/或发送结构的形状为盘子状、杆状、线状或带状。
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