薄膜材料及其應(yīng)用

1、第六章薄膜材料及其應(yīng)用（1）主要內(nèi)容一、超硬薄膜二、智能薄膜三、納米薄膜四、三族元素氮化物薄膜五、巨磁和龐磁薄膜六、鐵電薄膜七、紅外敏感薄膜八、人工周期調(diào)制材料一、超硬薄膜材料的硬度不僅取決于材料的宏觀性質(zhì)（彈性和塑性），而且 也取決于材料的微觀性質(zhì)（原子間的相互作用力）。合成超硬材料對(duì)于了解原子間相互作用的微觀特性與宏觀特性間的基本關(guān)系，以及純技術(shù)的應(yīng)用都十分重要。超硬材料（包括已有超硬材料和理論預(yù)言超硬材料）可以分為三類：1. 由周期表中第2、3周期的輕元素所形成的共價(jià)和離子-共價(jià)化合物；2. 特殊共價(jià)固體，包括各種結(jié)晶和無序的碳材料；3. 與輕元素形成的部分過渡金屬化合物，如：硼化物、碳

2、化物、氮化物和氧化物。素周期表5嚴(yán)1*TI : 準(zhǔn)Nn -! jLiTfl 2 a-KianaHB門也RIHE曲llBiv aVIHVltB4i伸PQ =Ck.：Sc- u he"TiS 吐5 a % Ww v r24 G暑2S Mnu16 h Ft? 快T&*號(hào)MY zU 戶£葉嚴(yán)*1fl-l 理 u ：HIBIH叫 Tj HI61 U HM虱11,n IX'JI 3，珂 La Lu AT"崑74 ws 科|ilB_75 EU屮 ItIHJX* S"広：；忙啟-17瓷-njn.'iri-ifigjcij A& Lt1 口

3、電 i= II4|JrtpUnh"Tin超硬材料的特點(diǎn)的凝聚相，硬度可以比金剛石高 2 倍。它的人工合成，開辟了合成碳超硬材料的新路。正在研究的比金剛石更硬的材料可能是 BC8 和 SC 結(jié)構(gòu)材料。（三）過渡金屬材料從I族Na到W B族過渡金屬，（Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W）與B、C、N、O形成的化合物屬于過渡金屬化合物。 其中，不少化合物顯示了高硬度，特別以 硼化鎢（WB4、WB2、WB，硬度近似為36-40GPa）最為典型。硼化物過渡金屬化合物一般 硬度超過 20GPa。過渡金屬碳化物和氮化物在硬度上次于硼化物。從叩B到H B族中的元素具有最小的摩爾體積和最

4、高的體彈性模量。在外殼層中電子數(shù)少的金屬與B、C、N部分形成共價(jià)鍵時(shí)更適合形成超硬材料。過渡金屬氧化物、硅化物的硬度在 5-20GPa ，之間。金剛石薄膜1. 金剛石薄膜的合成 合成方法主要有：A 熱燈絲低壓 CVD （ HFCVD ）加熱燈絲到2000oC，H2分解成原子H，原子H的存在使碳源如：甲烷、丙烷、乙烷或丙酮、乙醇等分解時(shí)，金剛石相擇優(yōu)沉積， 而石墨相的形成被抑制。金剛石的沉積速率可達(dá)mm/h。有極大的工業(yè)價(jià)值。B 微波等離子體 CVD （ MWPCVD ）利用微波激發(fā)等離子體，由等離子體使 H2 分解成原子氫，激活碳基原子團(tuán)，促進(jìn)金剛石形成。C 射頻等離子體 CVD原理與前述 C

5、VD 相同，不過產(chǎn)生等離子體的方法用射頻 源。D 直流等離子體 CVD原理與前述 CVD 相同，不過產(chǎn)生等離子體的方法用直流電源。E 電子回旋共振微波等離子體 CVD （ ECR-MP-CVD ）原理相同，但能產(chǎn)生高密度的等離子體，從而生長溫度大大降低（可在300-500oC 下沉積），但由于氣體壓強(qiáng)很低，所以沉積速率很低，適合于實(shí)驗(yàn)室使用。CVD 金剛石薄膜的成核機(jī)制 成核是金剛石薄膜生長的關(guān)鍵，成核控制是優(yōu)化金剛石的晶粒、取向、透明性、黏附性、粗糙度等性質(zhì)所必須的。C可以通過sp1、sp2、sp3雜化形成不同類型的化學(xué)鍵。金剛石只是由sp3鍵組成。從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來看，它相對(duì)于sp2雜化鍵合

6、形成的石墨相是亞穩(wěn)相。在原子 H 的作用下，可以 CVD 沉積金剛石薄膜的原理是：1. CVD 沉積過程中 H 對(duì)石墨相產(chǎn)生的刻蝕速率比對(duì)金剛石相的刻蝕高 20-30 倍，因此石墨與其它非金剛石相被從基片上清除， 只有金剛石相保留并繼續(xù)生長；2. 原子 H 使金剛石表面穩(wěn)定，并保持 sp3 雜化組態(tài)；3. 原子 H 可將碳?xì)浠衔镒兂商荚訄F(tuán)，而原子團(tuán)是金剛石形成的先導(dǎo)物；4. 原子 H 從附著在表面的碳?xì)浠衔镏蟹蛛x出氫，從而產(chǎn)生用于金剛石先導(dǎo)物吸收的活性位置。金剛石的性質(zhì)及應(yīng)用性質(zhì)：1. 硬度、密度、熱導(dǎo)率、彈性模量都是已知材料 中最高的，楊氏模量也最大。2. 金剛石的動(dòng)摩擦系數(shù)很低，只有

7、 0.05；3. 在所有材料中金剛石有最高的縱向聲速；4. 金剛石具有最高的熱導(dǎo)率；5. 在紅外和紫外波段有合適的折射率和較小的光吸收系數(shù)；6. 自然金剛石的空穴遷移率為 1800cm2/Vs，電子遷移率為2000cm2/Vs，合成金剛石的空穴遷移率可達(dá) 1400 cm2/Vs。 電阻率可達(dá)到1015 Q cm;7. 金剛石不與普通的酸發(fā)生反應(yīng)，高溫下容易氧化。金剛石薄膜的應(yīng)用 利用金剛石的優(yōu)異性能，金剛石薄膜主要有以下主要應(yīng)用：1. 利用高硬度和低摩擦系數(shù)，可以作刀具；2. 作磁盤的涂層，保護(hù)磁盤；3. 作拉絲模和噴腔的涂層，提高壽命；4. 超高熱導(dǎo)率可作為熱交換材料，如：電子器件的電絕緣熱

8、導(dǎo)體、 VLSI 的散熱器；5. 高溫、高壓、高功率、抗輻照電子器件和集成電路材料；6. 金剛石窗口用做潛望鏡、導(dǎo)彈的紅外輻射傳感器；7. 利用其低介電常數(shù)和高擊穿電壓制造快速光開關(guān)（60ps）。類金剛石薄膜類金剛石薄膜（ DLC ）是碳的以 sp3 為主要雜化的非晶態(tài)亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。它具有類似金剛石的性能。主要制備方法有：1. 低溫 CVD 用甲烷為碳源，同樣，原子 H 的存在是實(shí)現(xiàn) sp3 雜化鍵合、形成類金剛石薄膜的關(guān)鍵。2. 離子束沉積 利用離子束濺射碳靶和 H 離子注入，實(shí)現(xiàn) DLC 薄膜沉積， 也可以利用大束流的碳離子注入沉積來實(shí)現(xiàn) DLC 薄膜沉積的效果， 但沉積率低。離子束沉積的好

9、處是，碳離子的能量可以通過對(duì)離子束的能量、束流密度、方向等獨(dú)立調(diào)節(jié)。3. 濺射沉積利用A葉離子濺射石墨靶，在基片上沉積，得到DLC薄膜。其中，A葉被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn) sp3雜化的必要條件。附加磁場(chǎng)可以提供二次離子密度，提高因石墨濺射率低導(dǎo)致的 DLC 沉積率低的問題。4 . 陰極電弧沉積（ CAD ） 用陰極電弧使石墨電極蒸發(fā)，產(chǎn)生較高能量、處于激發(fā)態(tài)的碳原子團(tuán)，在大面積上實(shí)現(xiàn)快速DLC 薄膜沉積。這是目前被認(rèn)為最有效的 DLC 薄膜制備方法。5. 激光熔融沉積（ PLD ） 利用大功率脈沖激光對(duì)石墨靶掃描，熔融石墨并蒸發(fā)，在基片上沉積。激光熔融原子團(tuán)的能量很高，可產(chǎn)生sp2 熔融態(tài)，導(dǎo)致sp3 鍵

10、合 DLC 的形成。類金剛石薄膜的性質(zhì)和應(yīng)用性質(zhì)：DLC薄膜的性質(zhì)由薄膜中sp2和sp3雜化鍵的比例決定。1. 光學(xué)帶隙取決于sp2的含量，在sp2含量較低時(shí)尤其重要。在 sp2含量為10%時(shí)，帶隙在2.0-205eV ；2. 位摻雜的 DLC 薄膜為 P 型半導(dǎo)體材料，費(fèi)米能級(jí)位于價(jià)帶頂 0.22eV 處；3. DLC 薄膜可較方便地實(shí)現(xiàn)摻雜，使其電阻率降低 5 個(gè)數(shù)量級(jí)，為電子器件的制備創(chuàng)造了有利條件；4. 有較高的場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)，特別是 N 的摻雜可有效提高其場(chǎng)發(fā)射能力，從而為取代液晶，研制平板顯示器提供有利條件。 主要應(yīng)用DLC 薄膜的主要應(yīng)用在于利用其電學(xué)性能的微電子器件制造和利用其力學(xué)

11、性質(zhì)的機(jī)械應(yīng)用。其它還有生物器件和醫(yī)療應(yīng)用。如前所說， DLC 薄膜的微電子應(yīng)用可以研制平板顯示器來取代液晶顯示器；也可制造非揮發(fā)性數(shù)字信息器件。利用其力學(xué)性能， 在微電子工業(yè)上實(shí)現(xiàn)微摩擦，也可在機(jī)械另部件表面沉積 DLC 薄膜實(shí)現(xiàn)因硬度提高、摩擦降低而產(chǎn)生的壽命提高。由于 DLC 薄膜與生物組織的相容性，有 DLC 涂層的人工關(guān)節(jié)比普通的合金關(guān)節(jié)有更長的使用壽命。CNx 薄膜CNx 薄膜是理論預(yù)言的、可與金剛石硬度相比擬，甚至硬度超過金剛石的材料。用第一性原理模擬計(jì)算得到的C-N 結(jié)構(gòu)中，除了 g-C3N4相外，其它如：a -C3N4、立方C-C3N4、B -C3N4都是硬度可與金剛石比擬的

12、高硬度材料。C-N 薄膜 還具有高熱導(dǎo)率、寬帶隙、低摩擦系數(shù)、抗腐蝕、耐磨損等性能。制備方法1. 激光熔融法（ PLD ） 在激光熔融石墨靶做蒸發(fā)沉積的同時(shí)， 把高強(qiáng)度的 N 原子束入射到基片上， 獲得 CNx 薄膜。 N/C 比與 N 的流量成正比， 并與基 片溫度無關(guān)。在 N/C=0.82 時(shí)， CNx 薄膜中有與理論語言相似的電子衍射條紋，即形成了 B -C3N4 結(jié)構(gòu)。2. 離子束增強(qiáng)沉積（ IBED ）利用離子束增強(qiáng)沉積方法可以方便地得到N/C>1的CNx薄膜。方法是利用 A葉濺射石墨，在基片上沉積的同時(shí)，用N+離子注入，合適地調(diào)節(jié)濺射和注入條件，可以獲得需要 C/N 比的薄膜

13、。而 PLD 沉積的 CNx 薄膜大部分是非晶， N/C 也不能達(dá)到 1。實(shí)驗(yàn)證明，基片溫度在 800oC以下，N含量與基片溫度變化關(guān)系不明顯。對(duì)5-15eV的低能N+注入，sp3鍵合碳在15eV時(shí)達(dá)最大，能量增加，sp3 鍵合碳含量降低。3. CVD 方法CVD 方法沉積 CNx 薄膜是用甲烷、 NH3 為源氣。CVD 方法可分熱燈絲 CVD 、等離子增強(qiáng) CVD 、微波等離子增強(qiáng) CVD 、電子回旋共振 CVD 等。熱絲 CVD 由于基片溫度高， 加上熱絲本身的污染，很難得到純凈的 CNx 薄膜。4. 反應(yīng)濺射 主要包括直流磁控濺射和射頻磁控濺射。反應(yīng)氣體大多采用N2、 N2/Ar 、NH

14、3 、NH3/Ar 等。各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)中，對(duì) CNx 結(jié)構(gòu)影響最大的是基片溫度，在 <200oC 時(shí)為非晶 ,>200oC 時(shí),呈半結(jié)晶狀態(tài)。CNx 薄膜的應(yīng)用與展望CNx 薄膜的研究歷史很斷，在許多方面還存在許多不明確的問題，主要是，很難提高含 N 量，薄膜的結(jié)晶困難。 主要的潛在應(yīng)用與類金剛石薄膜類似。 即：利用其高熱導(dǎo)率、低摩擦系數(shù)、高場(chǎng)發(fā)射能力、高硬度等性能，在微電子領(lǐng)域開發(fā) 特種器件，如平板顯示器；在航天航空領(lǐng)域作為固體潤滑劑等。二、智能薄膜智能材料（ Intelligent Materials ）是指那些對(duì)環(huán)境具有可感知、可響應(yīng)，具有功能發(fā)現(xiàn)能力的的新材料。它與美國人提出

15、的 Smart Materials 具有類似性。 這種材料具有感知和執(zhí)行功能。 它們的共同之處是對(duì)環(huán)境變化有響應(yīng)。通常， 把以上兩種材料統(tǒng)稱為智能材料。90 年代，有把仿生功能引入智能材料， 使智能材料具有自檢測(cè)、自判斷、自指令、自結(jié)論的特殊功能。 智能材料結(jié)構(gòu)常常把高技術(shù)傳感器或敏感元件與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料與功能材料結(jié)合起來，使無生命的材料變得有 “感知 ”，不僅能發(fā)現(xiàn) 問題，還能自行解決問題。智能材料包括智能金屬及合金材料、智能金屬陶瓷材料、智能高分子材料和智能生物材料等。 有些形狀記憶材料，既可以是金屬系形狀記憶合金，又可以是形狀記憶陶瓷，也可以是形狀記憶聚合物。既有磁致伸縮合金，也有磁致 伸

16、縮陶瓷。因此，從材料的功能出發(fā)、也可分為自感知智能材料（傳感器） 、自判聯(lián)智能材料（信息處理器）以及自執(zhí)行智能材料（驅(qū) 動(dòng)器）。1傳感器用智能薄膜材料（ 1）壓電薄膜 壓電體是一個(gè)材料族。這種材料在電場(chǎng)作用下，體積產(chǎn)生變化。在可供智能結(jié)構(gòu)選用的壓電體中，壓電晶體因脆性 給制造和使用帶來了困難。纖維形態(tài)的壓電材料因很容易與復(fù)合材料制造過程相結(jié)合，適宜于自動(dòng)化生產(chǎn)，很有吸引力，但目前壓電纖 維還達(dá)不到足夠的長度，難以在實(shí)際結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。壓電陶瓷可以機(jī)械加工成各種形狀，并具有良好的強(qiáng)度和剛度、抗撞擊和頻寬特性。 壓電聚酯薄膜不如壓電陶瓷好用，效率也不高，但更容易埋置在復(fù)合材料層壓板中。由于高溫可以破壞

17、這些材料的壓電特性，因此在制 造過程中，必須把溫度保持在居里溫度（200350 C）以下。（ 2 ）應(yīng)變儀 電阻應(yīng)變儀是簡單、廉價(jià)、應(yīng)用技術(shù)成熟的傳感器。它們一般用于測(cè)量制造后的結(jié)構(gòu)表面各點(diǎn)的應(yīng)變，不適合自動(dòng)化制造技術(shù)。若 用同一材料制成絲狀應(yīng)變儀，就能適合自動(dòng)化生產(chǎn)。（ 3 ）光導(dǎo)纖維 光導(dǎo)纖維是最有前途的智能結(jié)構(gòu)傳感器。由于光纖直徑小，很容易適應(yīng)復(fù)合材料的自動(dòng)化生產(chǎn)。此外，光纖埋在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中對(duì) 結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度幾乎沒有影響。同一個(gè)光纖傳感器可起兩個(gè)作用，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)固化時(shí)，可用于監(jiān)控固化質(zhì)量，在固化后，可作為 應(yīng)變傳感器。2驅(qū)動(dòng)器用智能材料（I）壓電體 驅(qū)動(dòng)器用壓電體與上面所介紹的傳

18、感器用壓電體材料相同，主要適用于高頻和中等行程的控制，可以對(duì)智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)控制。 當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)通電給壓電陶瓷時(shí)，壓電陶瓷改變自身尺寸，而且形狀變化速度之快是形狀記憶合金所不能比擬的。目前，壓電陶瓷驅(qū) 動(dòng)器已應(yīng)用于：各種光跟蹤系統(tǒng)，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)（如激光陀螺補(bǔ)償器），機(jī)械人微定位器，磁頭，噴墨打印機(jī)和揚(yáng)聲器等。因?yàn)閴弘娞沾珊蛪弘娋酆衔飳?duì)于所加應(yīng)力產(chǎn)生可測(cè)量的電信號(hào)， 很適合做傳感器用。 常用于觸覺傳感器， 可識(shí)別盲文字母， 區(qū)分砂紙級(jí)別， PVDF（聚偏二氯乙烯）膜作為機(jī)器人觸覺傳感器，感知溫度、壓力。（ 2 ）伸縮性陶瓷 可分為電致伸縮性陶瓷和磁致伸縮性陶瓷，它們根據(jù)所加電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化而改變

19、體積。電致伸縮性陶瓷適合能量要求低的高頻和 低撞擊應(yīng)用，磁致伸縮性陶瓷對(duì)能量要求高。（ 3）形狀記憶合金 形狀記憶合金是理想的驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)樗患訜岬綂W氏體溫度時(shí)，可以自行恢復(fù)到它原來的形狀。形狀記憶合金通常以細(xì)絲狀態(tài)用于 智能結(jié)構(gòu)，它主要適合于低能量要求的低頻和高撞擊應(yīng)用。（ 4）電流變液 電流變液是在電位差作用下，粘度發(fā)生顯著變化。它可以作為空間結(jié)構(gòu)用驅(qū)動(dòng)器，用于結(jié)構(gòu)減振；填充在復(fù)合材料的直升機(jī)旋翼 葉片內(nèi)腔中用來控制旅翼剛度，達(dá)到減振目的。1. 金屬系智能材料金屬智能材料，主要指形狀記憶合金材料（SMA ）。有些金屬或合金，在發(fā)生了塑性形變后，經(jīng)過加熱到某一溫度以上，能夠回復(fù)到變形前的形狀

20、，這種現(xiàn)象成為形狀記憶效應(yīng)。具有形狀記憶的金屬材料，通常是由兩種或兩種以上金屬組成的合金，如NiTi合金。形狀記憶效應(yīng)是在馬氏體相變中發(fā)現(xiàn)的。通常把馬氏體的高溫相稱為母相（P）,低溫相為馬氏體相（M ）。從母相到馬氏體相的相變?yōu)檎嘧?，或馬氏體相變，而從馬氏體相到母相為馬氏體逆相變。在馬氏體逆相變中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。這種相變晶體學(xué)可逆性只 發(fā)生在彈性馬氏體相變的合金中。金屬或合金受冷卻、剪切由體心立方晶格位移轉(zhuǎn)變成馬氏體相。形狀記憶就是加熱時(shí)馬氏體低溫相轉(zhuǎn)變至母相而回復(fù)到原來形狀。迄今,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了 20多種具有形狀記憶效應(yīng)的合金。一些典型解狀記杞合金的但痕*第枸*溫度滯后、有序皿悴積亜?dòng)[含盤

21、姑的詛廈幫后/AgCdHaM2fl-150. §CuZn112 PR.MlR-10有序0. 5NiAl3633AE冇序TsN：i49-SlNi昭"網(wǎng)方700. 34InTI也73TEFCC-FCT4無序乩2MnCuS*3SCuFCCFCT無序形狀記憶合金在外力的作用下，誘發(fā)馬氏體相變導(dǎo)致合金的宏觀變形是剪切形變，這種相變稱為應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變。產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的形狀記憶合金，在Af溫度以上誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體只在應(yīng)力作用下才能穩(wěn)定存在。應(yīng)力一旦消除，馬上產(chǎn)生逆相變，回到母相，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的宏觀形變也隨之消失。其中應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系表現(xiàn)岀明顯的非線性。這種非線性彈性和相變

22、密切相關(guān)，稱為超彈性。形狀記憶合金是一類重要的執(zhí)行器材料，可用其控制振動(dòng)和結(jié)構(gòu)變形。NiTi形狀記憶合金，由于其具有大的畸變量和大的恢復(fù)力等特點(diǎn)，在制造微驅(qū)動(dòng)器等方面顯示岀強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，后面將介紹NiTi形狀記憶薄膜。NiTi形狀記憶合金薄膜的制備NiTi合金薄膜的制備方法很多，主要有濺射沉積、真空蒸發(fā)、激光熔融等，磁控濺射沉積是獲得形狀記憶薄膜的主要方法。濺射沉積NiTi薄膜時(shí)，放電氣體為 Ar，靶材為等原子比的 NiTi合金。由于離子濺射時(shí) Ni與Ti的濺射率不同，Ni的濺射產(chǎn)額高 于Ti，得到富Ni的NiTi薄膜，為了補(bǔ)償 Ti的不足，可以在等原子比的合金靶表面，用適當(dāng)面積的 Ti條遮蔽，或

23、者，采用 Ti過量的 NiTi合金靶濺射。Ar分壓、基片-靶間距、射頻功率、基片溫度等是影響薄膜質(zhì)量的主要參數(shù)。在基片不加溫時(shí)濺射沉積，得到的是非晶NiTi薄膜。在基片加溫到973K時(shí)，得到多相共存的薄膜。有兩種方法使濺射沉積的NiTi薄膜具有記憶效應(yīng)：（1）在室溫下濺射沉積，然后在 733K作結(jié)晶熱處理；（2）對(duì)基片加熱，在623K的溫度下濺射沉積。富Ni的NiTi薄膜合金在彈性約束下具有雙程記憶效應(yīng)，即在不加任何外力下冷卻和加熱都會(huì)自發(fā)畸變。這一效應(yīng)在使驅(qū)動(dòng)器微型化和簡單化方面十分有用，可以制備NiTi雙程記憶效應(yīng)驅(qū)動(dòng)器。磁致伸縮材料磁致伸縮材料是另一種形狀記憶材料。一般的單晶體或準(zhǔn)單晶體

24、磁致伸縮材料，其磁致伸縮是各向異性的，磁致伸縮系數(shù)很小（僅為百萬分之幾），要達(dá)到飽和磁致伸縮值所需的外磁場(chǎng)很大。為此，發(fā)展了多晶超磁致伸縮材料，女口TbO.27DyO.73Fe2-x三元合金系列。這種合金是由無數(shù)微小晶粒無序排列組成，在室溫下有效各向異性常數(shù)K= 0,呈現(xiàn)了磁致伸縮的各向同性。它在外磁場(chǎng)的作用下所產(chǎn)生的磁致伸縮系數(shù)比鎳和壓電陶瓷分別大10100倍和510倍。這種稀土 -鐵的磁致伸縮材料具有磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)快、功率密度高等特點(diǎn)，可被用于聲納系統(tǒng)，大功率超聲器件和工業(yè)超聲設(shè)備方面，是一種新型金屬形狀記憶材料。形狀記憶合金薄膜的應(yīng)用除了做微驅(qū)動(dòng)器和雙程記憶驅(qū)動(dòng)器外，利用Si基N

25、iTi薄膜，通過微機(jī)械加工技術(shù)，可以制造原形驅(qū)動(dòng)器，如口：彈簧、雙梁懸臂、閥、鏡面驅(qū)動(dòng)器、隔膜、微夾具等等。形狀記憶合金體材料也具有廣泛的應(yīng)用，涉及電器、機(jī)械、運(yùn)輸、化工、醫(yī)療、能源、日常生活等。形狀記憶合金機(jī)器人、機(jī)械手、能動(dòng)式醫(yī)用內(nèi)窺鏡、觸角傳感器、人工心臟、人工關(guān)節(jié)、人造肌肉等都有形狀記憶合金的用武之地。工業(yè)上，形狀記憶合金可制作成管接頭、自動(dòng)電子干燥箱、汽車排熱裝置等；在航天上，形狀記憶合金可以用作太陽尾隨裝置、宇宙天 線等。2 .無機(jī)非金屬系智能材料迄今為止，自適應(yīng)系統(tǒng)依賴的智能陶瓷（壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷、形狀記憶陶瓷、生物陶瓷）、電（磁）流變體、電致變色材料、壓敏電阻器等均屬于無

26、機(jī)非金屬系智能材料。智能陶瓷在無機(jī)非金屬系智能材料中占有重要的地位。目前研究的智能陶瓷主要有壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷、形狀記憶陶瓷、生物 陶瓷等。(1 )壓電陶瓷 壓電材料是能夠把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，反之亦然的材料。表征該功能的主要參數(shù)有：壓電系數(shù)d、電壓系數(shù)g和機(jī)電耦合系數(shù)k。陶瓷通常不具有壓電效應(yīng)，但是陶瓷的主晶相若是鐵電體，就能呈現(xiàn)出壓電效應(yīng)。因此，鐵電陶瓷經(jīng)極化處理后就變成壓電 陶瓷。鋯鈦酸鉛Pb(Zr,Ti)03( PZT)陶瓷是性能優(yōu)良的壓電陶瓷。由于它的高機(jī)電耦合系數(shù)和易于改性，在機(jī)電傳感器中占有極大的市 場(chǎng)。由于壓電陶瓷具有把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能力，所以當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)通電給壓電陶瓷時(shí)，

27、不是由于相變而是通過改變材料的自發(fā)偶極矩而改變材料的尺寸，此種效應(yīng)產(chǎn)生200300卩m應(yīng)變。據(jù)報(bào)道，88層的壓電陶瓷片做成的驅(qū)動(dòng)器可在20ms內(nèi)產(chǎn)生50卩m的位移。形變之快是 Ni-Ti 形狀記憶合金所不能比擬的。研究者正在努力使應(yīng)變達(dá)1。如果束縛這個(gè)形變，則產(chǎn)生與所加電壓大小成正比的機(jī)械力。壓電陶瓷PZT是高精度、高速驅(qū)動(dòng)器所必須的材料，已應(yīng)用于各種光跟蹤系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)(如激光陀螺補(bǔ)償器)、機(jī)械人微定位器、磁頭、噴墨打印機(jī)和揚(yáng)聲器等。( 2) 電致伸縮陶瓷 電致伸縮陶瓷是利用電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生微小應(yīng)變并能由電場(chǎng)非常精確控制的陶瓷。雖然在一切固態(tài)物體中都存在電致伸縮效應(yīng)，但 絕大多數(shù)物體的電致伸縮效應(yīng)都非常小，故電致伸縮效應(yīng)幾乎沒有任何應(yīng)用價(jià)值。但以鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN )為代表的一大類馳豫型鐵電陶瓷，在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)具有很大的電致伸縮效應(yīng)，應(yīng)變量可以達(dá)到10-3 以上。馳豫型鐵電陶瓷的出現(xiàn)拓寬了電致伸縮效應(yīng)的應(yīng)用。近年來，馳豫型鐵電陶瓷的研究非常熱門，除了研究對(duì)PMN 材料的摻雜，提高其性能外，又研究了有機(jī)高分子馳豫型鐵電體，如用電子注入或 y輻照使P(VDF-TrFE)成為性能良好的馳豫型鐵電體，并開發(fā)了它在水聲傳感器方面的應(yīng)用。(3) . 形狀記憶陶瓷同時(shí)具有鐵彈性和鐵電性的陶瓷材料有很好的形狀記憶效應(yīng)。鐵彈性是指某些電介質(zhì)