采用金属有机化学气相沉积法制备功能梯度材料的方法

摘要

本发明是一种采用金属有机化学气相沉积方法制备功能梯度材料的方法，首先采用逆设计方式，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；再采用MOCVD技术，利用Fe(CO) ₅、Mo(CO) ₆，Si(OC₂H₅) ₄、Ti(OC₄H₉) ₄等有机化合物为物源，通过调节反应气源的温度和气流量，在基片温度 400℃－600℃，压力170－350Pa，控制每层沉积时间的条件下能制备金属－金属、金属－陶瓷等功能梯度材料。材料物相稳定，组成连续梯度变化，两相过渡层表面形貌晶粒分布均匀且结构致密，完全符合功能梯度材料的变化规律。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。本发明方法简单，易于实施，所制得的FGM成分梯度变化稳定、结构致密、耐高温性及耐热冲击性能好。

主权项

1、一种采用金属有机化学气相沉积方法制备功能梯度材料的方法，其特征在于：方法分两步：第一步是采用逆设计方式，对所要制备的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，即是根据所要制备的材料结构形状和受热环境，通过公式计算，得出不同的体积分布指数下材料各梯度层的成分含量及其热力学边界条件，为下一步进行金属有机化学气相沉积提供必要的工艺条件，步骤如下：A、建立功能梯度材料的几何模型；B、在确定了具体功能梯度材料的两种物源基础上，用公式(1)计算不同梯度层各成分的含量，并作出各梯度层中组成分布图： C＝(x/d)p[i] (1)其中，C：体积分数 x：各梯度层与表面层之间的距离 d：制备材料的样品的厚度 p：成分分布指数C、按照两种物源不同物相气孔间的相对组合比及连续分布规律，依据混合平均法则，确定梯度层内各点的物性数据： P(x)＝VA(x)PA+VB(x)PB (2)式中，P(x)——计算成分的热学性能值即热传导系数、热膨胀系数，和物理性能值即弹性模量、材料强度；PA、PB——分别为单一的A、B组分的热力学和物理性能；V——分别为组分A、B在同一层中的体积分数；根据(2)式的计算可以作出不同体积分布指数下各物理参数与梯度层厚度的关系图，即是所设计的梯度材料的各物理参数沿厚度方向的变化情况；D、选定不同环境温度、压力条件下梯度材料组成，依据热弹性理论，进行温度分布和热应力计算，建立热应力模型；建立热应力模型时其热传导系数由下式计算$\frac{d}{\mathrm{dx}}\lambda \left(x\right)\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}=0----\left(3\right)$ 温度分布T(x)为：$T\left(x\right)=K{\int }_0^x\frac{\mathrm{dT}}{({\lambda }_A-{\lambda }_B)T^P+{\lambda }_B}+T_0----\left(4\right)$ 其中，$K=T_0/{\int }^0\frac{\mathrm{dT}}{({\lambda }_A-{\lambda }_B)T^P+{\lambda }_B}$ λA、λB分别为金属与陶瓷的导热率，E为杨氏模量，α为热膨胀系数，p为成分分布指数材料内部的热应力分布σ(x)为： σ(x)＝-E(x)α(x)[T(x)-T1] (5)其中，E(x)＝EAxA+EBxB α(x)＝αAxA+αBxB xA、xB分别为金属与陶瓷的体积分数；变换梯度成分分布函数和材料组合，反复上述过程即可获得热应力最小的材料组合和梯度成分的功能梯度材料；第二步是采用金属有机化学气相沉积方法，在通过实验确定两种物质共沉积最佳基片温度情况下，按照上一步所确定的有机化合物为物源和工艺参数，即：设定制备材料厚度和成分分布指数情况下各层中的原子含量，依据上述C提供的热应力边界条件，通过改变不同时段反应物源进入反应器的温度来控制各组分的成分比，调节和控制沉积各层的组织和组成，改变每一时段沉积气压来控制各层厚度，当时段尽量趋于连续变化，即可获得需要的功能梯度材料。