材料制备与设计

4. 材料的制备、成形与设计

4.1 材料制备概述

4.1.1 材料合成与加工的内涵

材料合成——通过一定的途径，从气态、液态或固态的各种不同原材料中得到化学上不同于原材料的新材料。

材料加工——通过一定的工艺手段使新材料在物理上处于与原材料不同的状态（化学上完全相同）

4.1.2 材料合成与加工的意义

影响材料的发展

例子：大规模集成电路工艺－计算机技术；精密铸造、定向凝固和单晶技术－航空航天技术；分子束外延、液相外延和化学气相沉积－超晶格

影响新技术的应用

例子：太阳能的利用—光电转换材料的合成加工没有突破；超导技术的应用——超导材料的合成加工是瓶颈

影响材料的性能

同样成分的材料因合成与加工的途径不同而呈现完全不同的性能

4.2 基于液固转变的材料制备与成形

4.2.1 分类

1) 从熔体出发，通过降温固化得到固体材料

多晶材料－砂型铸造和特种铸造；单晶材料－直拉法、定向凝固法、区熔法、液相外延法等；非晶材料－雾化法、急冷液体溅射、表面熔化和自淬火法。

2) 从溶液出发，在溶液中合成新材料或有溶液参与合成新材料，再经固化得到固相材料

溶液变温法制备单晶；水液法制备水晶（SiO2）、磷酸铝（AlPO4）等；高温熔液生长；化学共沉淀法；溶胶－凝胶法

4.2.2 砂型铸造

型砂－砂型造型－浇注系统设计－浇注－清砂－性能检测例子：天坛大佛

4.2.3 特种铸造

压力铸造、挤压铸造、离心铸造、熔模铸造、低压铸造、连续铸造、其他例子：压铸

4.2.4 单晶材料的制备

直拉法、定向凝固法（坩埚下降法）、区熔法、液相外延法等例子：单晶硅、单晶涡轮叶片4.2.5 非晶材料的制备

雾化法、急冷液体溅射、表面熔化、自淬火法

4.3 基于固－固转变的材料制备与成形

4.3.1 粉末冶金

定义:以粉末为原料，通过成形、烧结和必要的后续处理制取金属材料和制品。

特点：1)从工艺上看，以粉末为原料，采用压制、锻造、挤压、注射等方式制备初坯，存在烧结工序；2)制备难熔金属、假金属（铜—钨、铜—石墨）的有效方法；3)模具设计很关键；4)少、无切削；5)高精度；6)适合大批量生产

最新发展：1)发展新工艺——制粉（超微粉）、成形（温压、注塑成形、喷射沉积）、烧结（高效烧结、激光烧结）；2)开发新材料——纳米、准晶

4.3.2 塑性加工

类型：轧制挤压锻造冲裁拉拔

特点：利用金属的塑性变形能力；产品质量高，性能好，缺陷少，是改善材料性能的重要途径（相对铸件）；模具、设备费用高；加工精度和成形极限有限，主要是生产半成品；材料利用率高（相对铸件）；产品大小、长度、重量变化范围大（适应面广）

4.3.2 塑性加工

发展趋势：开发新工艺——超塑成形技术、柔性成形技术、增量成形技术、净成形技术（net shape forming）、近净成形技术（near net shape forming）、复合成形技术等；研究开发使环境净化的塑性加工技术，实现低噪音、小震动和无震动，节省能源、节省资源和资源再利用的塑性加工技术；研究开发塑性加工过程的计算机模拟技术和模具CAD/CAM技术；产品日趋精密化、高效化、大型化、微型化

4.3.3 热处理

特点：以材料中的固态相变为理论基础；以温度、时间、介质为重要参数；不改变材料的形状；决定材料的最终服役性能

发展动向：开发新工艺——激光表面合金化、可控气氛热处理；开发热处理专家系统及性能预测

4.3.4 固相外延

——借助固相反应在单晶衬底上进行外延的方法

分两类：

1) 硅单晶表面离子注入后，表面非晶层通过有序化和再结晶而外延

2) 需要金属或化合物层作为运输媒介，如Ga、As通过Ag层输送到GaAs衬底上外延生长。

4.3.4 高压制备

——在合适的条件下，高温、高压使材料转变到高密度、高原子配位数的结构。例子：石墨－金刚石（配位数3-4,密度2.25-3.52）

4.4 基于气－固转变的材料制备与成形

4.4.1 物理气相沉积

真空蒸发镀膜

阶段：加热使原料蒸发或升华；气相原子（或分子）穿过真空空间到达衬底表面；在衬底表面上原子（或分子）重新排列（或键合）凝结成膜。

4.4.1 物理气相沉积

溅射的基本过程是用电场加速从阴极发出的电子，当电子获得足够的动能时，就可以使工作气氛气体原子电离成等离子体。等离子体中的正离子在电场作用下轰击阴极的块状固体靶材，靶材表面溅出离子、原子和原子团，这些物质沉积到衬底表面形成薄膜。

激光脉冲沉积——激光烧蚀瞬间发生，薄膜成分与靶材成分保持一致，特别适合制备复杂的多组元材料

4.4.1 物理气相沉积

分子束外延（MBE ）是一种主要用于半导体薄膜、超薄膜、多层量子结构、超晶格的方法。分子束外延是利用分子束或原子束在超高真空系统中进行外延生长。超真空是为了保证分子（原子）束有较大的平均自由程，从而按设计的路线射到衬底表面。

分子束外延可以使生长速度调节得很慢，使得外延层厚度得到精确控制，表面可以达到原子级光洁度。

分子束外延可在很大范围内控制薄膜的组分和掺杂浓度。

例子：GaAs薄膜

4.4.2 化学气相沉积

化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）是一种材料的合成过程，气相原子（分子）被输送到衬底表面附近，在衬底表面发生化学反应，生成与原料化学成分截然不同的薄膜。

金属有机化合物气相沉积技术（MOCVD）；等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）

4.5 材料设计概述

4.5.1 材料设计的内涵

材料设计(materials design)是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能。

分三个层次：微观设计层次：空间尺度约1nm量级，是所谓原子、电子层次的设计；连续模型层次：典型尺度约1(m量级，材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；工程设计层次：尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工过程和使用性能的设计研究。

4.5.2 材料设计的成本分析

设计和分析成本——总体构思和细节上的设计以及随后的分析、试制和测试、准备制定生产规范，包括监测和质量控制标准、分险和责任评估；制造成本——直接的生产成本、固定成本、工程管理费用；运行成本——操作机器的劳务费、燃料及能源费、厂方费用、维修与修理费；处置成本——废弃物的处理、回收费用

4.5.3 材料设计中的材质和工艺选择

材料类型；材料选择中的性能指标；材料数据库；材料及其工艺的标准；材料选择中的环境分析

例子：汽车活塞的材料选择；电子封装的材料选择

4.5.4 材料设计中的失效和分险评估

材料失效—失效分析的步骤：1)对失效构件进行全面目视检查；2)了解失效构件的服役经历；

3)失效构件的性能测试与分析；4)失效构件的组织观察与分析

材料分险评估：分险（元）＝（失效概率）(（零件数量）(（元/失效）