功能材料學(xué)教案-第17章功能薄膜材料和新型功能材料

1、第17章 功能薄膜材料大家知道，薄膜材料一般是指物體的三維尺度中有一個很小（基本上在微米甚至納米量級），而另外兩個比較大的材料，它是一種特殊形態(tài)的材料。而功能薄膜材料則是指那些在電、磁、光、熱等方面具有某些特定性能的薄膜材料，如導(dǎo)電薄膜、光學(xué)薄膜、磁性薄膜等。與塊體材料相比，薄膜材料，在結(jié)構(gòu)和性能上具有很多獨特之處，能夠?qū)崿F(xiàn)塊體材料無法實現(xiàn)的一些功能。因此，薄膜材料在高科技領(lǐng)域具有十分重要的地位。20世紀(jì)70年代以來，薄膜材料和薄膜技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展，無論在學(xué)術(shù)研究上還是在實際應(yīng)用中都取得了豐碩的成果。各種具有新結(jié)構(gòu)、新功能的薄膜材料的應(yīng)用，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起到了巨大的推動作用。在這一章

2、中，我們介紹一些重要的功能薄膜材料。17.2 導(dǎo)電薄膜導(dǎo)電薄膜在集成電路中的應(yīng)用十分廣泛。它可用作薄膜電阻器的接觸端子、薄膜電容器的上下電極、薄膜電感器的導(dǎo)電帶和引出端頭，也可用作元器件之間的互連線等等。在集成電路中，導(dǎo)電薄膜所占的面積比例與其他薄膜相比是很大的，而且隨著電路集成度的不斷提高和薄膜多層互連基板的應(yīng)用，其所占的面積比例不斷增大。因此，導(dǎo)電薄膜的性能對于提高電路的集成度和工作性能均有很大的影響。下面我們介紹幾種常見的導(dǎo)電薄膜。 金屬導(dǎo)電薄膜金屬薄膜按其熔點高低可分為低熔點薄膜和高熔點薄膜兩類。1低熔點金屬薄膜。在低熔點金屬薄膜中，主要有Au，Ag，Cu和Al膜。其中，對Al膜的研究

3、和應(yīng)用較多。通常采用真空蒸鍍法制作Al膜，所用原材料純度在以上，蒸鍍時的真空度高于510-3Pa。由于Al易與W，Mo，Ta等元素生成低熔點合金，故蒸發(fā)鋁使一般不使用W，Mo，Ta做坩堝。在集成電路工藝中，主要采用濺射法制備Al膜。2高熔點金屬薄膜。高熔點金屬薄膜是指V，Nb，Zr，Ti，Ta,，Cr，Mo和W等高熔點金屬薄膜。制造高熔點金屬薄膜，主要是為滿足高集成度電子元器件對電極材料的要求。通?？蛇x用電子束蒸發(fā)、濺射和化學(xué)氣相沉積等方法來制備高熔點金屬薄膜。采用上述方法在二氧化硅薄膜表面所形成的W，Mo等高熔點金屬薄膜，一般為多晶結(jié)構(gòu)，薄膜多呈柱狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸隨基板溫度和熱處理溫度的

4、升高而增大，同時薄膜的電阻率會逐漸變小。 復(fù)合導(dǎo)電薄膜金膜的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性一般都很好，是一種優(yōu)良的導(dǎo)電薄膜。但金與微晶玻璃、陶瓷等基體的附著性很差。因此，用金膜作為導(dǎo)電薄膜時，一般須先沉積一層其他金屬底層，然后再沉積金，即形成一種復(fù)合導(dǎo)電薄膜。所以，復(fù)合導(dǎo)電薄膜在結(jié)構(gòu)上主要包括金屬底層和上面的導(dǎo)電金屬層兩部分。金屬底層主要起粘附作用，使上層的導(dǎo)電薄膜能牢固地附著于基體上，而上層的導(dǎo)電薄膜則主要起導(dǎo)電作用。由于復(fù)合導(dǎo)電薄膜的組分至少包括兩種或兩種以上金屬。因此在制備這種薄膜時，不能采用單蒸發(fā)源蒸鍍或單靶濺射，而必須采用兩到三個蒸發(fā)源按順序蒸發(fā)或者采用多金屬靶按順序濺射的方法，才能獲得所需要的復(fù)合

5、導(dǎo)電薄膜。Cr-Au薄膜和NiCr-Au薄膜是目前用得最多的復(fù)合導(dǎo)電薄膜。主要用作電阻的端頭電極、電子元件的互連線、單層薄膜電感器和薄膜電容器的上電極等。 多晶硅薄膜重?fù)诫s的多晶硅薄膜是替代Al膜作為集成電路的柵電極和互連線的薄膜材料。多晶硅薄膜經(jīng)氧化處理后，可在其表面生成優(yōu)良的SiO2薄膜，容易得到高純度的膜層。利用不同摻雜成分既可形成n型半導(dǎo)體，又可形成p型半導(dǎo)體，改變摻雜濃度還可改變膜層的電阻率。制備多晶硅薄膜的方法很多，如真空蒸發(fā)、濺射、電化學(xué)沉積、化學(xué)氣相沉積、分子束外延等，都可用來沉積多晶硅薄膜。在結(jié)構(gòu)上，多晶硅薄膜是由許多無規(guī)則取向的小晶粒組成的。在一定條件下，存在著一個主要的生

6、長晶向，也就是具有擇優(yōu)取向。多晶硅薄膜的擇優(yōu)取向與沉積溫度及以后的熱處理溫度密切相關(guān)。非摻雜多晶硅薄膜的電阻率很高，可達(dá)105cm，如摻雜濃度在1019cm-3以上，其電阻率就與單晶硅的電阻率（10-2103cm）相近了。但多晶硅薄膜的導(dǎo)電性質(zhì)與單晶硅的有很大的不同，這主要是因為在多晶硅薄膜中存在著大量晶界。 金屬硅化物薄膜在元素周期表中，有一半以上的元素可與硅形成一種或多種硅化物。硅化物具有低的電阻率，約為多晶硅電阻率的l/10，而且高溫穩(wěn)定性好，抗電遷移能力強，并可直接沉積在多晶硅上。因而，在超大規(guī)模集成電路中被廣泛用作導(dǎo)電薄膜。適用于集成電路的硅化物，必須具有電阻率低，易刻蝕，可氧化，機

7、械穩(wěn)定性好，與Al不易發(fā)生反應(yīng)等性質(zhì)。常用的硅化物有NbSi2，PtSi，Pd2Si（硅化鈀）和NiSi2等。制備硅化物的方法有共濺射、共蒸發(fā)、分子束外延、化學(xué)氣相沉積等?？梢允紫刃纬晒韬徒饘俚亩鄬咏Y(jié)構(gòu)，再經(jīng)過退火處理，即可形成硅化物薄膜。 透明導(dǎo)電薄膜透明導(dǎo)電薄膜是一類既具有高的導(dǎo)電性，在可見光范圍又有很高的透光性，并且在紅外光范圍還有很高的反射性的薄膜材料。它大體可分為金屬膜、氧化物膜和非氧化物膜三大類。在金屬膜中有Au，Ag，Cu，Pt，Al，Cr等；在氧化物膜中有In2O3，SnO2，ZnO，CdO等；在非氧化物膜中有Cu2S，CdS，ZnS，LaB6，TiN，TiC，ZrN，ZrB2

8、等。透明導(dǎo)電薄膜由于具有透光性，在電子、電氣及光學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在玻璃襯底上制備透明導(dǎo)電膜的方法有噴霧法、涂覆法、浸漬法、化學(xué)氣相沉積法、真空蒸鍍法和濺射法等。在塑料襯底上制備透明導(dǎo)電薄膜最典型的方法是真空蒸鍍法，這種方法的襯底大多采用聚酯薄膜。另外，在塑料襯底上也可采用各種濺射方法來制備薄膜。17.3 光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，幾乎所有光學(xué)儀器都離不開各種性能的光學(xué)薄膜，如增透膜、反射膜、偏振膜、分光膜、干涉濾光膜等。近代激光技術(shù)的發(fā)展，又為光學(xué)薄膜的研制和應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域?？捎米鞴鈱W(xué)薄膜的材料很多，不下百余種，有化合物光學(xué)薄膜、半導(dǎo)體光學(xué)薄膜、金屬光學(xué)薄膜等等，各種材料可適

9、合于不同的用途和光學(xué)波段。目前，用得較多的光學(xué)薄膜材料有氧化物、氟化物、硫化物和半導(dǎo)體材料等類型。 防反射膜折射率為的光學(xué)玻璃對于垂直于入射光的反射率大約為4，在具有大量光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)中，存在著許多空氣/玻璃界面，玻璃的這種反射損耗累積起來，會使得光學(xué)系統(tǒng)的透射率明顯降低。在折射率較大的半導(dǎo)體中，反射損耗也很大。例如，在折射率約為4的Ge中，反射損耗大約為36。為了減小反射損耗，增大光學(xué)元件的透光率，通常采用在光學(xué)元件上沉積防反射膜（增透膜）的辦法，常見的有單層、雙層或多層反射膜。在選擇防反射膜的薄膜材料時，不僅要考慮它的光學(xué)性質(zhì)，還必須考慮它的機械強度以及成膜的難易程度等因素。許多材料的

10、反射率受膜的制備條件的影響很大。一般在鍍膜過程中應(yīng)直接監(jiān)視并控制膜的反射率和透射率，在反射率達(dá)到最小時即停止鍍膜。 吸收膜光學(xué)吸收薄膜的應(yīng)用實例之一是太陽光選擇吸收膜。為了有效地利用太陽熱能，就要采用對太陽光吸收較多，同時由自身熱輻射所引起的損耗又比較小的吸收材料。太陽光譜的峰值約在波長處，全部能量的95以上集中在2m之間。在攝氏幾百度的溫度下，黑體的熱輻射主要集中在220m的紅外波段。太陽輻射光譜與黑體的熱輻射光譜在波段上存在的這種差異，為我們充分利用太陽能提供了理論依據(jù)。為了有效地利用太陽熱能，就應(yīng)該采用具有波長選擇特性的吸收材料。這種吸收材料應(yīng)該對太陽能吸收較多，同時由自身熱輻射所引起的

11、能量損耗又比較小。即在太陽輻射最強的可見光波段吸收率大，而在熱輻射最強的紅外光波段輻射率小。通常采用在紅外波段輻射率非常小的金屬薄膜作為吸收膜的底層。同時，在金屬表面沉積一層半導(dǎo)體薄膜，用來降低金屬在可見光波段中的反射率，以增大其吸收率。所選擇的半導(dǎo)體薄膜的吸收端波長應(yīng)在l3m之間，才能基本上覆蓋太陽輻射光譜。當(dāng)太陽光波的波長比半導(dǎo)體薄膜的吸收端波長短時，薄膜的吸收系數(shù)很大，可以很好地吸收太陽光；當(dāng)太陽光波的波長比半導(dǎo)體薄膜的吸收端波長長時，半導(dǎo)體層是透明的，可以保持由襯底金屬所具有的高反射率。常用于光學(xué)吸收膜的半導(dǎo)體主要有Si，Ge和PbS等，它們在可見光波段的反射損耗偏大，吸收特性不夠理想

12、。降低半導(dǎo)體反射率的措施有：（1）適當(dāng)?shù)剡x取半導(dǎo)體層的膜厚，通過干涉效應(yīng)來降低反射率；（2）在半導(dǎo)體層上再沉積一層防反射膜；（3）使半導(dǎo)體表面形成多孔結(jié)構(gòu)，利用多重反射的方法，使反射率降低。圖5 太陽輻射光譜與黑體輻射光譜 薄膜光波導(dǎo)光波導(dǎo)就是一種將光波封閉在一定截面的透明媒質(zhì)內(nèi)，利用其橫向界面上的全反射現(xiàn)象使光波沿軸向傳播的光學(xué)器件。光纖就是一種常見的光波導(dǎo)器件。薄膜光波導(dǎo)的基本結(jié)構(gòu)大致可分為兩種。一種是由沉積的低折射率薄膜與高折射率薄膜所形成的二維光波導(dǎo)；另一種是將薄膜進一步加工成條帶狀圖形所形成的三維光波導(dǎo)。薄膜光波導(dǎo)的襯底一般使用的是折射率比其核心層的折射率低一些的透明材料。這時，它的

13、結(jié)構(gòu)是由低折射率的透明層和高折射率的核心層疊加所構(gòu)成的。在薄膜光波導(dǎo)中，被廣泛采用的單晶襯底有LiNbO3，A12O3，SiO2等氧化物介電體單晶以及GaAs，InP，Si等半導(dǎo)體單晶。單晶光波導(dǎo)薄膜通常采用各種外延方法（氣相、液相、分子束外延、有機金屬化學(xué)氣相法等）制備。而多晶以及非晶態(tài)光波導(dǎo)薄膜通常采用真空蒸鍍和濺射等方法制備。17.4 磁性薄膜磁性薄膜一直是一個十分活躍的研究領(lǐng)域，主要是因為用它能夠制造磁盤、磁帶等快速存貯信息的器件。此外，利用鐵磁性薄膜的各向異性磁阻效應(yīng)，還可以制作薄膜磁傳感器等。 單晶態(tài)磁性薄膜單晶態(tài)磁性薄膜具有磁各向異性。 一般來說，磁性薄膜的各向異性常數(shù)K1的數(shù)值

14、越大，表明其完全單晶化程度越高。例如，在NaCl單晶的（100）解理面上通過外延法制取的Ni薄膜，其K1值具有明顯的各向異性，這表明所獲得的薄膜是單晶薄膜。在MgO的（100）解理面上制取的Ni單晶薄膜，Ni膜的K1值會隨著鍍膜時基體溫度的增加而增加，也說明，其單晶化程度的增大。磁性單晶膜通常利用外延法來制備，一般是在離子型單晶體或金屬單晶體的結(jié)晶面上通過真空蒸鍍法進行外延生長。 非晶態(tài)磁性薄膜在非晶態(tài)磁性薄膜中不存在磁各向異性，也不存在多晶磁性薄膜中由晶界引起的磁疇壁釘扎效應(yīng)。非晶態(tài)薄膜作為薄膜磁頭材料，其頻率特性、硬度和飽和磁化強度都比晶態(tài)材料好，更符合高密度磁記錄的要求。非晶態(tài)磁性薄膜的

15、制作方法分電鍍、電解、蒸鍍、濺射等?？梢岳秒婂?、電解方法制備Co-P膜、Ni-P膜、Co-Ni-P膜等非晶態(tài)磁性薄膜。 磁泡磁泡是近幾十年來在磁學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展起來的一個新概念。一般情況下，一個鐵磁體總要分成很多小區(qū)域，在同一個小區(qū)域中，磁化矢量的方向是相同的，這樣的小區(qū)域稱為磁疇。相鄰兩個磁疇的磁化矢量方向總是不同的。在兩個磁疇的分界面處，磁化矢量方向的變化并不是由一個磁疇的方向突然變到另一個磁疇的方向，而是在一個小的范圍內(nèi)逐漸地變化過去的。也就是說，在磁疇和磁疇之間存在著過渡區(qū)，這種過渡區(qū)稱為疇壁。磁泡是在磁性薄膜中形成的一種圓柱狀的磁疇。在未加外磁場時，薄膜中的磁疇呈迷宮形狀，由一些明暗相

16、間的條狀疇構(gòu)成，明與暗兩種條塊的面積大體相等，如教材254頁圖17-6（a）所示。假如明疇中的磁化方向是垂直于膜面向下的，而暗疇中的磁化方向就是垂直于膜面向上的。如果在垂直于膜面向下的方向加一外磁場HB，即HB的方向與明疇的相同，那么，隨HB增大，明疇的面積逐漸增大，而暗疇的面積則會逐漸減小，部分暗疇還會變成一段一段的段疇，如圖17-6（b）中所示。當(dāng)HB增加到某一值時，段疇縮成圓形的磁疇，見圖17-6（c）。這些圖形的磁疇看起來很像是一些圓形的小泡泡，故被稱為磁泡。從垂直于膜面的方向來看，磁泡是圓形的，但實際上磁泡是圓柱形的。在磁泡區(qū)域中，磁化方向與外磁場HB相反。如果增加HB，則磁泡的直徑

17、將減小。HB增加到某一數(shù)值時，磁泡還會突然消失。圖6 磁泡的形成過程在形成磁泡以后，如果保持HB不變，則磁泡是很穩(wěn)定的。也就是說，已經(jīng)形成的磁泡不會自發(fā)地消滅，沒有磁泡的區(qū)域也不會自發(fā)地形成新的磁泡。在磁性薄膜的某一位置上“有磁泡”和“沒有磁泡”是兩個穩(wěn)定的物理狀態(tài)。這一特性使其可用來存貯二進制的數(shù)字信息。用磁泡來存貯信息的技術(shù)稱為磁泡技術(shù)。當(dāng)然，并不是任何一種磁性材料都能形成磁泡。磁泡只能在自發(fā)磁化垂直于膜面的材料中形成。而且還要求材料的缺陷盡量少，透明度盡量高，磁泡的遷移速度要快，材料的化學(xué)穩(wěn)定性和機械性能要好。滿足這些要求的材料有六方鐵氧體、氟化鐵、硼酸鐵和尖晶石等。磁泡材料主要通過外延

18、法生長出單晶薄膜。液相外延法和氣相外延法都是生長磁泡薄膜的常用方法。第18章 新型功能材料18.1 智能功能材料 智能功能材料 目前，在新材料領(lǐng)域中，正在形成一門新的分支學(xué)科，這就是智能材料，也稱機敏材料。人類所使用的材料經(jīng)過石器材料、鋼鐵材料、合成高分子材料和人工設(shè)計材料后，開始進入智能材料（Intelligent Materials）。所謂智能材料就是同時具有感知功能、判斷功能和執(zhí)行功能的一種新材料。感知、判斷和執(zhí)行是智能材料必需具備的三個基本要素。 一般的功能材料可以判斷環(huán)境，但不能順應(yīng)環(huán)境，而智能材料不但可以判斷環(huán)境，而且還可順應(yīng)環(huán)境。也就是說，智能材料應(yīng)具有應(yīng)付環(huán)境條件變化的特性，如

19、自診斷、自修復(fù)、自分解、自學(xué)習(xí)、自增值等為應(yīng)對外部刺激而使自身發(fā)生積極的變化。智能材料是受集成電路技術(shù)啟迪而構(gòu)思的一種融合型材料。 大家知道，細(xì)胞為生物體材料的基礎(chǔ)，而細(xì)胞本身就是具有感知、判斷和執(zhí)行三種功能的融合材料，故可把它作為智能材料的藍(lán)本。 金屬系智能材料 金屬材料具有強度大、加工性能出色等特性，因而一直主要用于制作各種領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件，目前仍是現(xiàn)代工業(yè)中主要的結(jié)構(gòu)材料?？紤]到航空、宇航和原子能等尖端領(lǐng)域今后的發(fā)展，給包括金屬在內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料增添智能功能就顯得極為重要。 在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，金屬材料在使用過程中會產(chǎn)生疲勞龜裂和蠕變變形，從而導(dǎo)致?lián)p傷和性能變壞。如果使金屬結(jié)構(gòu)材料本身具有感知損傷和

20、性能惡化，進而能加以抑制并自己修復(fù)的話，那么在確保結(jié)構(gòu)物的可靠性和使用安全性方面無疑是極其有益的。 通常容許金屬材料中存在微小空穴或者缺陷，以疲勞斷裂為例，鋼和鋁合金中即使存在約1m大小的微小空穴，其疲勞極限也不會降低。因而可以通過在1m尺寸的微小空穴內(nèi)埋入一種斷裂時能產(chǎn)生聲波的物質(zhì)來感知裂紋，預(yù)告異?，F(xiàn)象。并在結(jié)構(gòu)材料中埋入另一種能產(chǎn)生相變的物質(zhì)，它通過裂紋部位的應(yīng)力作用產(chǎn)生相變來抑制和修復(fù)裂紋，或者通過材料中所含的成分自動析出并填充裂紋間隙來實施自修復(fù)。 日本等國正在研究的智能金屬材料具有如下功能，一是當(dāng)材料發(fā)生變形、裂紋等損傷和性能惡化時，借助顏色、聲音、電信號等感知這些現(xiàn)象的自我診斷功

21、能；二是利用應(yīng)力誘發(fā)相變使應(yīng)力集中緩和的自修復(fù)功能。 形狀記憶合金是一種重要的執(zhí)行器材料，具有感知和驅(qū)動為一體的特性。在金屬智能材料研究中具有重要的潛在價值。 無機非金屬系智能材料1智能陶瓷智能陶瓷具有很多特殊的功能，它能像有生命物質(zhì)，例如人的器官那樣，感知客觀世界。并且這類陶瓷還可以通過發(fā)射聲波、輻射電磁波和熱能，以及改變顏色等對外界環(huán)境變化作出類似有生命物質(zhì)的反應(yīng)。一些智能陶瓷也具有自修復(fù)功能，它使材料能抵抗環(huán)境的突然變化。部分穩(wěn)定氧化鋯的抑制開裂就是一個很好的例子。它的四方結(jié)構(gòu)到單斜結(jié)構(gòu)的相變，能通過自動在裂紋起始處產(chǎn)生壓應(yīng)力來終止裂紋擴展。在纖維補強復(fù)合材料中，應(yīng)力引起部分纖維斷裂，使

22、能量釋放，從而避免了進一步斷裂。陶瓷變阻器和正溫度系數(shù)熱敏電阻也是一種智能陶瓷。在高電壓雷擊時，氧化鋅變阻器可失去電阻，使雷擊電流旁路入地，該電阻可自動恢復(fù)。鈦酸鋇PTC熱敏電阻在120左右的相變溫度下，出現(xiàn)電阻的極大變化，從而可作為沖擊電流保護元件。變阻器的電阻-電壓特性和PTC的電阻-溫度特性，都具有很顯著的非線性效應(yīng)，因而能作為所謂的候補保護元件。2智能窗電致變色現(xiàn)象是指材料在電場作用下而引起的一種顏色變化，這種變化是可逆的，并且連續(xù)可調(diào)。利用電致變色材料的這一特性設(shè)計的玻璃窗具有對通過其中的光、熱的動態(tài)可調(diào)性，這種玻璃窗稱為智能窗。 近幾年來，智能窗的開發(fā)研究開展得非?；钴S，這種由玻璃

23、和電致變色系統(tǒng)組成的裝置，利用電致變色材料在電場作用下而引起的透光（或吸收）性能的可調(diào)性，可實現(xiàn)隨人的意愿調(diào)節(jié)光照度的目的。同時，電致變色系統(tǒng)通過選擇性地吸收或反射外界熱輻射和阻止內(nèi)部熱擴散，可減少辦公大樓和民用住宅等建筑物在夏季保持涼爽和冬季保持溫暖而必須耗費的大量能源。這種裝置既可用作建筑物的門窗玻璃，也可作為汽車等交通工具的擋風(fēng)玻璃。在建筑、運輸及電子等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 高分子系智能材料 高分子凝膠為高分子在溶劑中的三維網(wǎng)絡(luò)，其大分子主鏈或側(cè)鏈上有離子的解離性、極性和疏水基團，類似于生物體組織。此類高分子凝膠可因溶劑種類、鹽濃度、pH值、溫度的不同以及電刺激和光輻照不同而產(chǎn)生

24、體積變化，凝膠的這種體積變化是其對環(huán)境變化產(chǎn)生的一種響應(yīng)性。 智能高分子材料作為生物醫(yī)用材料，有很大的應(yīng)用前景。如以其制成藥物緩釋體系的載體材料，則其可依據(jù)病灶所引起的化學(xué)物理變化，自動控制藥物釋放的通-斷特性。如具有血糖濃度響應(yīng)特性的胰島素釋放體系可有效地把糖尿病患者的血糖濃度維持在正常水平。18.2 梯度功能材料 梯度功能材料概念隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，金屬和陶瓷的組合材料受到了極為廣泛的重視。這是由于金屬具有強度高、韌性好等優(yōu)點，但在高溫和腐蝕環(huán)境下卻難以勝任。而陶瓷具有耐高溫、抗腐蝕等特點，但卻具有難以克服的脆性。金屬和陶瓷的組合使用，則可以充分發(fā)揮兩者長處，克服其弱點。然而用現(xiàn)有技術(shù)

25、使金屬和陶瓷粘合時，由于兩者界面的膨脹系數(shù)不同，會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，引起剝離、脫落，造成材料的破壞。梯度功能材料（Functionally Gradient Materials，簡稱FGM.）的研究開發(fā)，最早始于日本（1987年）。所謂梯度功能材料，就是在所選擇的兩種不同性能的材料之間，采用先進的材料復(fù)合技術(shù)，使中間部分的組成和結(jié)構(gòu)連續(xù)地呈梯度變化，從而使材料的性質(zhì)和功能，沿厚度方向也呈梯度變化的一種新型復(fù)合材料。在梯度功能材料內(nèi)部不存在明顯的界面。這種復(fù)合材料的顯著特點是克服了兩材料結(jié)合部位的性能不匹配因素，同時材料的兩側(cè)還具有不同的功能。 雖然FGM的最初目的是通過梯度化結(jié)合金屬和超耐熱陶

26、瓷來解決航天飛機的熱保護問題。但隨著FGM的研究和開發(fā)，其用途已擴大到核能源、電子、光學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，其組成也由金屬-陶瓷發(fā)展成為金屬-合金、非金屬-非金屬、非金屬-陶瓷、高分子膜-高分子膜等多種組合，種類繁多，應(yīng)用前景十分廣闊。 梯度功能材料的制備對梯度功能材料必須采取有效的制備技術(shù)來保證，下面是已開發(fā)的梯度材料制備方法。1. 化學(xué)氣相沉積法兩種氣相原料被輸送到反應(yīng)器中進行均勻混合，在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并沉積在基板上。該方法的特點是通過調(diào)節(jié)原料氣流量和壓力來連續(xù)控制改變金屬-陶瓷的組成比。2. 物理蒸發(fā)法通過物理法使鍍膜材料加熱蒸發(fā)而在基板上成膜。3. 等離子噴涂法采用多套獨

27、立或一套可調(diào)組分的噴涂裝置，精確控制等離子噴涂成分來合成FGM材料。采用該法制備FGM材料，須對噴涂壓力、噴射速度及顆粒粒度等參量進行嚴(yán)格控制。4. 顆粒梯度排列法顆粒梯度排列法又分顆粒直接填充法和薄膜疊層法兩種。前者是將不同混合比的顆粒在成型時呈梯度分布，再壓制燒結(jié)。后者是在金屬及陶瓷粉中摻微量粘結(jié)劑，制成泥漿并脫除氣泡后再壓成薄膜，將這些不同成分和結(jié)構(gòu)的薄膜進行疊層、燒結(jié)，通過控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性，可獲得具有緩和熱應(yīng)力性能的梯度功能材料。5. 自蔓延高溫合成法利用粉末間化學(xué)放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和反應(yīng)的自傳播性使材料燒結(jié)并合成。 梯度功能材料的應(yīng)用FGM最重要的應(yīng)用領(lǐng)

28、域是航天工業(yè)，在其他領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景，見表。18.3 功能復(fù)合材料復(fù)合材料是一種多相復(fù)合體系。目前材料的復(fù)合技術(shù)已能使聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料、玻璃、碳質(zhì)材料等之間進行復(fù)合。 聚合物基功能復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料質(zhì)地輕、強度高、耐腐蝕、隔熱吸音、設(shè)計和成型自由度大，被廣泛用于航空航天、船舶與車輛、建筑工程、電器設(shè)備、化學(xué)工程以及體育、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。1. 導(dǎo)電復(fù)合材料在聚合物基體中，加入高導(dǎo)電的金屬與碳素粒子或微細(xì)纖維，通過一定的成型方式制備出導(dǎo)電復(fù)合材料，加入聚合物基體中的這些添加材料可分為兩類增強劑和填料。增強劑是一種纖維質(zhì)材料，它或者本身導(dǎo)電，或者通過表面處理來獲得導(dǎo)電性。

29、在這類增強材料中用的較多的是碳纖維。導(dǎo)電復(fù)合材料中使用較多的填料為炭黑，它具有粒度小、表面孔隙度高和揮發(fā)量低等特點，其加入量為520。金屬粉末也常用作填料，其加入量為3040。選擇不同材質(zhì)、不同含量的增強劑和填料，可獲得不同導(dǎo)電特性的復(fù)合材料。2. 透光復(fù)合材料最早成功開發(fā)的是無堿玻璃纖維增強不飽和聚酯型透光復(fù)合材料。但不飽和聚酯型透光復(fù)合材料透紫外光能力差、耐光老化性不好。為此，美國、日本等又先后開發(fā)了有堿玻璃纖維增強丙烯酸型透光復(fù)合材料，其光學(xué)特性、力學(xué)性能都比不飽和聚酯型的透光復(fù)合材料有明顯改進。3. 隱身復(fù)合材料隨著電磁波探測、紅外探測技術(shù)日新月異的發(fā)展，給作戰(zhàn)用的飛機、導(dǎo)彈、艦艇、坦

30、克造成了致命的威脅，因而極大地促進了人們對隱身技術(shù)的研究。雷達(dá)涂覆型吸波材料包括涂料（主要為鐵氧體）和貼片（為橡膠、塑料和陶瓷）。日本研制的一種寬頻高效吸波涂料是由電阻抗變換層和低阻抗諧振層組成的雙層結(jié)構(gòu)。其中變換層是鐵氧體和樹脂的混合物，諧振層是鐵氧體、導(dǎo)電短纖維與樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料。紅外隱身材料主要集中于紅外涂層材料，現(xiàn)有兩類涂料。一種是通過材料本身的某些結(jié)構(gòu)，使吸收的能量在涂層內(nèi)部不斷消耗或轉(zhuǎn)換而不引起明顯的升溫；另一類涂料是在吸收紅外能量后，讓吸收后釋放出來的紅外輻射向長波段轉(zhuǎn)移，使之處于探測系統(tǒng)的效應(yīng)波段以外，以達(dá)到隱身目的。涂料中的粘合劑、填料（形態(tài)、大小、結(jié)構(gòu)）、涂層的厚度與結(jié)構(gòu)

31、都直接影響到紅外隱身效果。4. 壓電復(fù)合材料壓電材料有廣泛的用途，無機壓電材料品種多，壓電性能良好，但其硬而脆的特性給它的加工和使用帶來不少困難。某些高分子材料，如聚偏二氟乙烯等經(jīng)過極化、拉伸成為駐極體后亦有壓電性。但由于必須經(jīng)拉伸、極化，材料剛度增大，難于制成復(fù)雜形狀，并且具有較強的各向異性。這兩類壓電材料都具有壓電性能好，但加工性能差的弱點。將無機壓電材料顆粒與聚合物材料復(fù)合后，可制得具有一定壓電性的復(fù)合材料。如將鈦酸鋯與聚偏二氟乙烯或聚甲醛復(fù)合而得到壓電復(fù)合材料，雖然壓電性不十分突出，但其柔軟、易成型，尤其是可制成膜狀材料，大大拓寬了壓電材料的用途。最重要的是由于其壓電性及其他性能具有可設(shè)計性，可以同時實現(xiàn)多種功能，這是普通壓電材料所無法比擬的。 金屬基功能復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料的發(fā)展歷史雖然要比聚合物基復(fù)合材料晚，但是由于其具有橫向機械性能好、層