金属有机化学气相沉积法制备功能梯度材料的方法和机理的研究

【摘要】： 功能梯度材料(Functional Graded Materials，简称FGM)是一种成分、组织、结构、密度和功能特性在宏观上不均匀，但又逐渐变化的新型材料。它较目前广泛使用的隔热性耐热复合材料有许多优点，如可以消除材料间的界面，缓和热应力，具有较高的机械强度，抗热冲击性和耐高温性(达2000℃)等。功能梯度材料是21世纪最有发展前景的新型材料之一，其用途已由原来的宇航工业，扩大到核能源、电子、化学、生物医学等领域；其组成也由金属—陶瓷发展成为金属—金属、金属—合金、非金属—非金属、非金属—陶瓷等多种组合；其制备方法主要包括粉末冶金法，自蔓延高温合成法(SHS)、气相沉积法(CVD和PVD)、电沉积法，激光熔覆法，溶胶—凝胶法(sol-gel)等。金属有机化学气相沉积(MOCVD)法是化学气相沉积法的一种，主要选用金属有机化合物为物源进行化学气相沉积，是目前获取各类特殊功能材料和材料的有效方法之一。该技术能在不太高温度下大面积沉积材料，沉积速率较高，台阶覆盖性好，能够按设计精确控制材料的组成、结构和形态。本文在介绍功能梯度材料的研究进展，CVD、MOCVD技术的研究概况以及Mo(CO)_6，Fe(CO)_5的成膜机制和工艺条件之后，着重报道了利用MOCVD技术制备陶瓷薄膜，金属／金属和金属／陶瓷功能梯度材料。在系统实验的基础上探讨SiO_2薄膜沉积工艺条件及其影响因素，获取了SiO_2薄膜的最佳工艺条件；采用功能梯度材料(FGM)的逆设计思想，在最佳沉积条件的基础上成功制备出Fe／Mo和Mo／SiO_2功能梯度材料，并以X射线衍射，X射线光电子能谱，电镜扫描，膜台阶仪，金相显微镜等手段对材料进行成分测定和表面形态结构分析。 本研究论文主要研究了以下几个方面： (1) 研究了以Si(OC_2H_5)_4为物源，在Al_2O_3陶瓷基片上制备SiO_2薄膜的工艺条件。在成膜机理的基础上，通过对不同沉积条件(如沉积温度，物源温度，沉积时间)下沉积速率和薄膜结构形态的测试和分析，我们发现，当系统的实验条件为：基片温度500℃—600℃，反应室压力260—400Pa，TEOS的温度在60℃左右，流量1mL．S~(-1)时将获得最佳沉积速率和膜的最佳结构形态。若稳定沉积时间越长，膜层厚度越厚。 中文摘要 (2)采用逆设计系统，对功能梯度材料进行成分优化设计，物理性质计算和 热应力模拟，研究发现:当成分分布指数p=1时，梯度材料的各物性参数缓和效 果最好，结构热应力平缓过渡。 (3)以Mo(CO)6，Fe(CO)5为物源，控制反应物不同的气流量，在基片温度500 “C，压力150一200 pa，Mo(CO)6和Fe(CO)s温度分别为600C和15oC条件下成功制 备出Fe侧。功能梯度材料。结果表明:该梯度材料主要由Fe和M。两相组成，成 分连续梯度变化，符合功能梯度材料的变化规律。Fe从。过渡层表面形貌呈现连续 固溶体状，晶粒细小，分布均匀且结构致密。各梯度层厚度可随机而取。 (4)利用Mo(CO)6，51(OCZHS);为物源，通过调节反应气源的温度和气流量， 在基片温度500℃一600℃，压力170一35OPa，每层沉积60min的条件下制备 Mo/SIOZ功能梯度材料。实验结果表明:材料组成连续梯度变化，符合功能梯度材 料的变化规律。Mo/Sio:过渡层表面形貌晶粒分布均匀且结构致密。