智能薄膜材料

智能薄膜材料制作人：学号：文章摘要：20世纪90年代，世界发达国家先后开始智能材料的研究与开发工作。科学家把仿生功能引进到材料中，使材料成为具有自检测、自判断、自结论、自指令等特殊功能的新材料。智能材料结构常常把高技术传感器或敏感元件与传统结构材料和功能材料结合在一起，是无生命的材料变得有了“感觉”和“知觉”，如同人的智慧一样，不仅能发现问题，而且还能自行解决问题。智能材料包括智能金属及其合金、智能金属陶瓷材料、智能高分子材料和智能生物材料等。下面只就智能合金——形状记忆合金薄膜进行重点介绍。关键字：智能；材料；形状记忆合金;薄膜。1.智能材料定义1989年，日本科学家高木俊宜提出了智能材料的概念，英文名是intelligentmaterials。智能材料就是指那些对环境具有可感知，可响应，具有功能发展能力的新材料。相似的，美国科学家Newhham提出了机敏材料“smartmaterials”的概念，这种材料具有传感和执行功能。我们将智能材料和机敏材料统称为智能材料。2.形状记忆合金薄膜材料2.1形状记忆合金定义有些金属材料或合金材料，在发生了注塑形变后，经过加热到某一温度以上，能够恢复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应。具有形状记忆效应的材料，通常是由两种或两种以上金属元素组成的合金如NiTi合金，这种合金称为形状记忆合金。形状记忆效应是在马氏相变中发现的，通常把马氏相变中的高温相叫做母相（P），低温相叫做马氏相（M)。从母相到马氏相的相变称为马氏正相变，或简称为马氏体相变，从马氏体相到母相的相变称为马氏体逆相变。马氏体逆相变中表现出形状记忆效应，即晶体位向和晶格结构完全回复到母相状态，这种相变晶体学可逆性只发生在产生热弹性马氏体相变的合金中，迄今已发现具有形状记忆效应的合金有20多种。2.2种类划分热弹性马氏体相变和非弹性马氏体相变是根据马氏体相变和逆相变温度滞后的大小来划分的。一般在冷却过程中，将马氏体相变开始的温度表以Ms，终了温度标以Mf，在加热过程中，将马氏体逆相变开始温度标以As，终了温度标以Af。形状记忆合金的马氏体相变属于热弹性马氏体相变，其相变温度滞后比非热弹性马氏体相变小一个数量级以上，有的形状记忆合金只有几度的温度滞后。当形状记忆合金被冷却到相变温度Ms以下时，母相的一个晶粒内会生成许多惯习面，他们的位向不同，但在晶体学上是等价的马氏体，我们把这些惯习面位向不同的马氏体叫做马氏体变体。马氏体变体在相变过程中的自协作是形状记忆效应的重要机制。2.3相变伪弹性效应形状记忆合金在外部应力作用下，由于诱变马氏体相变而导致的合金的宏观变形是剪切变形，这种由外部应力诱发产生的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变。当形状记忆合金受到的剪切分应力小于滑移变形或孪生变形的临界应力时，即使在Ms温度之上也会发生应力诱发马氏体相变。形状记忆合金在Af温度点以上产生应力诱发马氏体相变，一般会表现出相变伪弹性效应。但是，应力诱发马氏体相变并非都能产生相变伪弹性效应。产生热弹性马氏体相变的形状记忆合金在Af温度以上诱发产生的马氏体只在应力作用下才能稳定的存在，应力一旦解除，立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变形也随逆相变而完全消失。其中应力与应变的关系表现出明显的非线性，这种非线性弹性和相变密切相关，所以叫相变伪弹性，也叫超弹性。3.NiTi形状记忆合金薄膜的制备及表征3.1.1NiTi形状记忆合金薄膜的制备一些制备方法如溅射沉积、真空蒸发沉积，激光熔融等已用于制备厚度大于10μm的NiTi膜。但是，溅射方法是获得完整形状记忆效应的主要方法。因此，我们将主要介绍磁控溅射制备NiTi膜。在射频磁控溅射生长NiTi膜中，放电气体一般采用Ar，靶材为等原子比的NiTi合金。沉积过程中，Ar离子被加速射向靶并把NiTi溅射出来，从而在基片上形成NiTi膜。由于Ni的溅射产额高于Ti，因此采用等原子比NiTi靶进行溅射时，所得到的NiTi膜总是富Ni，为了控制Ni的含量使Ni、Ti含量仍保持等原子比，则需在NiTi靶上再放一些纯Ti条。利用这一方法，可以控制膜的Ni含量在45％~53％（原子分数）范围。典型的基片-靶距离保持在50mm。如果基片不加热。则得到的NiTi膜为非晶。3.1.2影响薄膜质量因素影响薄膜质量的主要溅射参数是射频功率、Ar气分压、基片-靶距离、基片温度和靶的合金组分。在低Ar气分压下制得的NiTi膜较平整，无任何结构特征，而在高Ar气分压下所得的膜呈柱状结构。这一柱状结构表明膜是多孔的。这一结构可能是由于沉积原子在生长膜表面的迁移受到限制所致。在较高的Ar气压下，由于Ar离子间的碰撞而使被溅射出来的原子能量降低，导致其表面扩散能力的降低，而且在高Ar气压下，吸附在膜表面的Ar离子会干扰Ti和Ni原子的表面扩散。在高Ar气压下制备的膜中，如果射频功率为600W时，则观察到的孔洞较其他条件下获得的薄膜的孔洞少，沉积NiTi膜所用基片为玻璃、Cu和Si。4.形状记忆合金及薄膜的应用如上所述，形状记忆合金具有广泛的应用领域，涉及电气、机械、运输、化工、医疗、能源、日常生活等。迄今研制出来的形状记忆合金热机有曲轴偏心式、斜板式、场式和重力式等。形状记忆合金机器人是形状记忆合金的另一重要应用。用形状记忆合金制成机械手、机器人、能动式医用内窥镜、触角传感器、人工心脏等，在医学领域有着广泛的发展前景。另外，形状记忆合金还可以用于牙齿矫正、接骨针、人工关节棒、人造肌肉等。在工业上，形状记忆合金可制成管接头、自动电子干燥箱、控制系统等；在航空领域，形状记忆合金可以用作太阳尾随装置、宇宙天线等。参考文献[1]唐伟忠。薄膜材料：制备原理、技术及应用(第2版)[M]。北京：冶金工业出版社，2005。[2]田民波，李正操。薄膜技术与薄膜材料[M]。北京：清华大学出版，2011。[3]奥林。薄膜材料科学（第2版）[M]。北京：世界图书出版公司，2006。[4]贺庆国,胡文平,白凤莲。分子材料与薄膜器件(精)[M]。北京：化学工业出版社，2011。[5]陈光华,邓金祥。新型电子薄膜材料(第2版)[M]。北京：化学工业出版社，2012。[6]郑伟涛。薄膜材料与薄膜技术[M]。北京：化学工业出版社，2010。[7]SMiyazaki,Alshida.MaterSciEngA,1999.