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1、功能梯度材料 （Functional Gradient Materials）,蒙诗贵 20101622,主要内容,1 功能梯度概述 2 功能梯度材料的设计过程 3 功能梯度材料的制备方法 4 功能梯度材料的应用,1.1 功能梯度概述,20世纪80年代以来，随着航空航天工业的发展，材料的隔热成了最大的问题，特殊的服役环境致使一般的匀质材料面临着高温和大的温度梯度的挑战，即使足采用陶瓷或金属复合材料，由于两者的热膨胀系数的差异，在高温使用时也会产生巨大的热应力，导致在材料表层出现剥落或龟裂，使材料失效。,针对这种情况，日本材料科学家新野正之、平井敏雄和渡边龙等于1987年首先提出了功能梯度材料的概
2、念。下图为的示意图。的主要优势体现在可以连接种不相容的材料，提高粘结强度，减小不同材料之间的残余应力和裂纹驱动力，消除不同材料界面的交叉点。,图1 FGM结构和特性示意图,2）指材料的组成和结构从材料的某一方位（一维二维或者三维）向另一方位连续地变化，使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型的功能性材料（functional gradient materials）,1.2 FGM的概念 1）它是指一类组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的非均质复合材料。（functionally graded materials 新野正之）,1.3 梯度材料与合金材料、复合材料的区别,1.4
3、FGM和传统复合材料相比具有的优势 1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度; 2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力; 3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性; 4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。,1.5 功能梯度材料的分类,1）按组合方式分 金属/金属 金属/非金属 金属/陶瓷 非金属/塑料 非金属/陶瓷 陶瓷/陶瓷,2）按组成变化分,梯度功能整体型(从一侧到另一侧组成梯度变化) 梯度功能涂履型(涂层的组成梯度变化) 梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化) 3
4、）按梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等； 4）根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等。,2,2 功能梯度材料的设计过程 a. 通过计算机辅助设计系统，根据指定的材料结构形状和受热环境，得出热力学边界条件；选择有可能合成的材料组配和恰当的制造方法； 根据材料的物理参数及控制梯度变化的适宜条件，进行温度分布解析和热应力解析，探索比应力达最小值的组成分布形状或材料组配。 b.把获得的结果作为进行梯度功能材料的制备依据。一般先制备出较小的试件；然后进行扩大性试验。 c.将其用于实际环境中进行试验。,3 功能梯度材料的制备,3.1 化学
5、气象沉积法 （CVD）,通过两种气相均质源输送到反应器中进行均匀混合，在热基板上发生化学反应并沉积在基板上。此法特点是通过调节原料气流量和压力来连续控制，改变金属陶瓷的组成和结构。,3.2 物理气象沉积法（PVD）,PVD法是通过物理 方法如离子镀，溅射及 分子束外延等使源物质 蒸发在基体上沉积成膜 的一种方法. 这种制备技术主要 用于制备薄膜梯度材料。 PVD制备得到的膜是纯物质的，一般和CVD法 一起使用,3.3 自蔓延烧结法 （SHS）,利用粉末间化学反应产生的热量和反应的自传性，使材料烧结、合成的方法. 此法过程简单，反应迅速且耗能少。可通过加压来提高致密度。 最适合于生成热大的化合物
6、的合成如AlN、TiC、TiB2等,SHS-离心法制备陶瓷内衬复合钢管,3.4 等离子喷涂法,等离子体喷涂能同时熔化难熔相和金属，通过控制两种粉末的相对供给速率来预先设置混合比率。 使用粉末作为喷涂材料，以氦气、氩气等气体为载体，吹入高温等离子体射流。等离子体射流把能量传递给颗粒，粉末被熔融后进一步加速，高速冲撞在基材表面形成涂层。高速使颗粒撞到固体基底上时变得相当扁平，使涂层具有相对低的孔隙率。,3.5 粉末冶金法,将金属、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到模具中加压烧结；也可将不同组分粉末压成薄膜/片后进行叠层烧结。 控制各组分混合比，使压后的粉坯梯度层间任一组分浓度变化较小，梯度层间接合
7、紧密。 调节粉末粒度分布和烧结工艺，可得良好热应力缓和的梯度功能材料。,通过粉末冶金混合烧结成的FGM结构示意图,3.6 激光熔覆法,把材料A放到基底B表面上，用激光将其与B基体中表面薄层一起熔化，在B表面形成B合金化的A层。 重复操作，在B表面产生B含量逐渐减少的梯度。 梯度变化可通过控制初始A层的数量、厚度及熔区深度来获得。,激光熔覆将材料A合金化到材料B制备FGM示意图,4 功能梯度材料的应用,4.1 热应力缓和型梯度材料 减少或克服高温、大温度落差、高速热流冲刷和动态机械负荷下由于结合部位热、力学性能不匹配造成的材料破坏,4.2 船舶工业 在舰船甲板上可采用含热障的、抗摩擦或抗冲击的梯
8、度功能材料涂层，或设计连续增强纤维排列的逐级梯度，显著提高它们的缺口阻力，抑制微观裂纹扩张，大幅改善甲板的抗高应变速率变形和冲击性能，对舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义。,航空母舰的夹板,4.3 汽车工业,为对柴油机或汽油机活塞头进行热保护，需在钢基底上喷涂厚度大于2mm的ZrO2涂层。如果直接在金属上覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。 通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属-陶瓷复合梯度涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。,4.4 能源工业,核反应堆内壁温度高达数千K，其内壁材料采用单纯双层结构，热传导不好，孔洞较多，热应力下有剥离倾向。 采用金属/陶瓷结合的梯度材料，能消除热传递
9、及热膨胀引起的应力，解决界面问题，可替代目前不锈钢/陶瓷复合材料。,4.5 光学器件工业,梯度功能材料推动一个新的光学分支-梯度折射率光学的形成，在光学器件中有大量应用。 梯度折射率透镜体积小、焦距短、消像差性好，组成的光学系统可大大减少非球面组件数，简化光学器件结构。 梯度折射率光纤可以自聚焦，提高耦合效率,梯度折射透镜,棒透镜,梯度多膜塑料光纤,4.6 生物医学工业,羟基磷灰石(HA)陶瓷和钛或Ti-6Al-4V合金组成的梯废功能材料可作为仿生人工关节和牙齿。 HA是生物相容性优良的生物活性陶瓷，钛及其合金生物相容性也很好，强度高， 人造牙的齿根外表采用耐磨性优良的HA陶瓷，内部采用可承受较大变形的钛或Ti-6Al-4V合金。,此外，梯度技术还可以用于半导体器件、化工容器及部件等的制作。 功能梯度材料还处于研究、开发和实验阶段，为使功能梯度材料达到实用化，还需对大型材料和复杂形状材料的制造方法、材料的耐氧化性以及在高温下长时间使用时特性的变化等问题进行深入研究和探讨。,Thank you,