梯度功能材料PPT課件

現(xiàn)代新型材料與納米材料NewMaterialsandNanometer-Materials（6）,材料科學(xué)與工程學(xué)院劉穎教授主講,.,2,第六講梯度功能材料,GradientFunctionMaterials,.,3,主要內(nèi)容梯度功能材料的發(fā)展梯度功能材料的原理及特點(diǎn)梯度功能材料的制備梯度功能材料的應(yīng)用,.,4,許多結(jié)構(gòu)件會(huì)遇到各種服役條件，因此要求材料的性能應(yīng)隨構(gòu)件位置不同而不同。刀具只需刃部堅(jiān)硬，其它部位需要具有高強(qiáng)度和韌性；齒輪輪體必須有好的韌性，表面必須堅(jiān)硬和耐磨；渦輪葉片的主體必須具有高強(qiáng)度、高韌性和抗蠕變，而它的外表面必須耐熱和抗氧化。諸如此類，工程應(yīng)用的許多材料都屬于這個(gè)范疇。,中國刀,渦輪葉片,.,5,構(gòu)件中材料成分和性能的突然變化常常會(huì)導(dǎo)致明顯的局部應(yīng)力集中。如果一種材料過渡到另一種材料是逐步進(jìn)行的，這些應(yīng)力集中就會(huì)大大地降低。為減少材料的應(yīng)力集中，提高材料性能，人們發(fā)展了新型的功能梯度材料(簡稱FGM)。日本、美國、德國、俄羅斯、英國、法國、瑞士等許多國家都開展FGM的研究，其應(yīng)用已擴(kuò)展到宇航、能源、交通、光學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等各領(lǐng)域。,航天工業(yè),交通工業(yè),化工工業(yè),.,6,梯度功能材料的發(fā)展,.,7,梯度功能材料是一種集各種組分(如金屬、陶瓷、纖維、聚合物等)于一體的新型材料，其微觀結(jié)構(gòu)和物理、化學(xué)、生物等單一或綜合性能都呈連續(xù)變化，以適應(yīng)不同環(huán)境，實(shí)現(xiàn)某一特殊功能。,梯度功能材料制備的耐磨軸承，外表為陶瓷，內(nèi)表面為金屬,.,8,梯度功能材料早就出現(xiàn)在自然界中。竹子是一種典型的梯度功能材料，人類和動(dòng)物身體中的骨骼也是一種梯度材料，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中的最強(qiáng)單元承受最高的應(yīng)力。生物的梯度結(jié)構(gòu)與人造梯度結(jié)構(gòu)之間存在很大差異。有生命的FGMs是“有智能的”，它們能感受所處環(huán)境的變化(包括局部應(yīng)力集中)，產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修改，而人造梯度材料至少在目前還缺乏這種功能。,竹子,竹節(jié)中纖維素含量變化,.,9,人體長骨結(jié)構(gòu)示意圖,.,10,人造梯度功能材料也不是新事物。越王勾踐劍深埋地下2400多年，1965年出土?xí)r依舊寒光逼人，鋒利無比。劍的主要成分是銅、錫及少量鋁、鐵、鎳、硫。劍的各部位銅和錫的比例不一，形成良好的成分梯度。劍脊含銅較多，韌性好，不易折斷；劍刃含錫高，硬度大，非常鋒利；護(hù)手花紋處含硫高，硫化銅可防銹蝕。,.,11,1900年，美國用明膠作成光折射率沿徑向連續(xù)變化的圓柱棒，稱為梯度折射材料。由于制作工藝沒有解決，未能得到實(shí)際應(yīng)用。1969年，日本板玻璃公司的北野等人制成梯度折射棒材和光纖，達(dá)到了實(shí)用水平，梯度折射率材料的研究迅速發(fā)展起來。,中國劍,梯度折射玻璃,.,12,功能梯度材料作為一個(gè)規(guī)范化正式概念，于1984年由日本國立宇航實(shí)驗(yàn)室提出。航天飛機(jī)中，燃燒室內(nèi)外表面溫差達(dá)到1000K以上，普通的金屬材料難以滿足這種苛刻的使用環(huán)境。,航天飛機(jī)飛行時(shí)預(yù)想的表面溫度,.,13,1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡邊龍三人提出使金屬/陶瓷復(fù)合材料的組分、結(jié)構(gòu)和性能呈連續(xù)變化的熱防護(hù)梯度功能材料的概念。1990年，日本召開第一屆梯度功能材料國際研討會(huì)。,熱防護(hù)梯度,梯度復(fù)合管,.,14,1993年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所開始以開發(fā)超高溫耐氧化保護(hù)涂層為目標(biāo)的大型梯度功能材料研究。1995年德國發(fā)起一項(xiàng)六年國家協(xié)調(diào)計(jì)劃，主要研究功能梯度材料的制備。最近，通過改變復(fù)合兩相的配制，在復(fù)合材料內(nèi)部形成精細(xì)的構(gòu)造梯度(將預(yù)先存在的不同相進(jìn)行人為組合)。功能梯度材料已發(fā)展為當(dāng)前結(jié)構(gòu)材料和功能材料研究領(lǐng)域中的重要主題之一。,摩擦溫升后，梯度材料變化較小，普通材料則變成蘭紫色,.,15,梯度功能材料的原理及特點(diǎn),.,16,梯度功能材料由幾種性質(zhì)不同的材料組成，但與復(fù)合材料之間有明顯區(qū)別。,梯度功能材料與復(fù)合材料比較,.,17,梯度功能材料主要通過連續(xù)控制材料的微觀要素(包括組成、結(jié)構(gòu))，使界面的成分和組織呈連續(xù)性變化，主要特征有：材料的組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)性梯度變化；材料內(nèi)部沒有明顯的界面；材料的性質(zhì)也呈連續(xù)性梯度變化。,ZrO2-CrNi合金FGM橫截面，白色的陶瓷粉末與黑色的合金粉末含量呈連續(xù)性梯度變化，沒有明顯的界面，,.,18,金屬-陶瓷構(gòu)成的熱應(yīng)力緩和梯度功能材料，對(duì)高溫側(cè)壁采用耐熱性好的陶瓷材料，低溫側(cè)壁使用導(dǎo)熱和強(qiáng)度好的金屬材料。材料從陶瓷過渡到金屬的過程中，耐熱性逐漸降低，機(jī)械強(qiáng)度逐漸升高。熱應(yīng)力在材料兩端均很小，在材料中部過渡區(qū)達(dá)到峰值(比突變界面的應(yīng)力峰值小得多)，具有緩和熱應(yīng)力的功能。,金屬和陶瓷構(gòu)成的材料特性(a)無梯度；(b)有梯度,.,19,不銹鋼陶瓷(Si3N4)界面上應(yīng)力分布(單位：1/100MPa)（a）無梯度；（b）有梯度虛線壓應(yīng)力區(qū)；0無應(yīng)力區(qū),比較發(fā)現(xiàn)：成分突變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中成分逐步過渡，應(yīng)力集中大大降低，有梯度時(shí)集中區(qū)壓應(yīng)力僅為無梯度時(shí)的1/3-1/4無梯度樣品冷卻時(shí)開裂，有梯度樣品有近400MPa結(jié)合強(qiáng)度,.,20,與突變界面相比，梯度材料可在成分中引入連續(xù)的或逐級(jí)的梯度來提高不同固體(如金屬和陶瓷)之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，抑制應(yīng)力集中，推遲塑性屈服和失效的發(fā)生；熱防護(hù)梯度功能材料正是利用其成分和結(jié)構(gòu)的連續(xù)變化來避免熱應(yīng)力集中所造成的界面脫落和開裂，防止材料的失效。,.,21,梯度功能材料的制備方法,.,22,梯度功能材料的制備技術(shù)和方法，綜合了超細(xì)、超微細(xì)粉、均質(zhì)或非均質(zhì)復(fù)合材樹等微觀結(jié)構(gòu)控制技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)?；瘜W(xué)氣相沉積法(CVD)物理蒸鍍法(PVD)等離子噴涂法(PS)自蔓延高溫合成法(SHS)粉末冶金法激光熔覆法化學(xué)氣相滲透法(CVI)電解析出法等,.,23,化學(xué)氣相沉積法,兩種氣相物質(zhì)在反應(yīng)器中均勻混合，在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使生成的固相物質(zhì)在基板上沉積以制備FGM的方法。CVD法可通過選擇合成溫度、調(diào)節(jié)原料氣流量和壓力等來控制FGM各組元的成分和結(jié)構(gòu)，而且可鍍復(fù)雜形狀的表面；沉積面光滑致密，沉積率高，成為制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的FGM涂層關(guān)鍵技術(shù)之一。,CVD工藝原理圖,.,24,將含金屬/非金屬鹵化物的原料氣體進(jìn)行均勻混合，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，使生成物沉積在基板上。目前，己用CVD法制備出厚度為0.4-2mm的SiC/C、TiC/C、SiC/TiC、Al/C系FGM。,化學(xué)沉積系統(tǒng),化學(xué)沉積立方ZrO2/C梯度材料,.,25,物理蒸鍍法,PVD法是通過物理法使源物質(zhì)加熱蒸發(fā)，進(jìn)而在基板上沉積成膜的一種制備材料的方法。PVD法可制備多層不同物質(zhì)的膜；PVD法得到的膜較薄，每層膜是單純某物系，常和CVD法結(jié)合使用；目前已制出TiC/Ti、TiN/Ti、CrN/Cr、TiAlN/Ti和SiC/C/TiN等多層梯度功能材料。,PVD鍍膜器件,.,26,等離子噴涂法,等離子體噴涂能同時(shí)熔化難熔相和金屬，通過控制兩種粉末的相對(duì)供給速率來預(yù)先設(shè)置混合比率。使用粉末作為噴涂材料，以氦氣、氬氣等氣體為載體，吹入高溫等離子體射流。等離子體射流把能量傳遞給顆粒，粉末被熔融后進(jìn)一步加速，高速?zèng)_撞在基材表面形成涂層。,等離子噴涂,.,27,等離子噴涂適合形狀復(fù)雜表面的梯度涂覆加工。在基板上噴涂單層NiCr合金粉末；再用10%ZrO2粉和90NiCr合金粉末噴涂；在配料中逐步減少合金粉末；最后用100ZrO2粉末噴涂，此技術(shù)已用于飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和相關(guān)材料的表面改性，材料表面能承受1100-1300的高溫，內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到500-600。日本采用等離子噴涂技術(shù)噴涂ZrO2/Y2O陶瓷粉末和Ni-Cr-Al-Y合金粉末，形成梯度涂層，明顯提高基體金屬的隔熱性和耐熱疲勞性。,.,28,自蔓延高溫合成法,利用粉末混合物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和反應(yīng)自傳播性，通過初始反應(yīng)物濃度分布的空間變化，使材料燃燒和合成來制備FGM的方法稱為自蔓延高溫合成法。該法的特點(diǎn)是利用放熱反應(yīng)的能量使化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)持續(xù)下去，操作簡單，反應(yīng)迅速，最適合于生成熱大的化合物的合成如AlN、TiC、TiB2等。,自蔓延高溫合成,自蔓延合成材料,.,29,燃燒合成FGM中，整體的宏觀梯度通常被保留在樣品中，局部發(fā)現(xiàn)在FGM內(nèi)部存在有限的物質(zhì)傳輸，這種傳輸使初始存在于反應(yīng)物粉末壓塊中的較陡峭的成分分布在反應(yīng)后被較平緩的梯度所代替。日本采用連續(xù)成型的電磁加壓自蔓延技術(shù)合成TiB2/Cu、TiC/Ni等梯度功能材料。我國采用爆炸壓實(shí)自蔓延高溫合成技術(shù)制備了Al2O3/Ti系梯度功能材料，組織結(jié)構(gòu)呈梯度變化，理論密度提高到94%，顯微硬度Hv達(dá)到461.8。,.,30,顆粒梯度排列法,將金屬、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到模具中加壓燒結(jié)；也可將不同組分粉末壓成薄膜/片后進(jìn)行疊層燒結(jié)?？刂聘鹘M分混合比，使粉坯梯度層間任一組分濃度變化較小，梯度層間接合緊密。調(diào)節(jié)粉末粒度分布和燒結(jié)工藝，可得具有良好熱應(yīng)力緩和的梯度功能材料。,通過粉末混合燒結(jié)形成的FGM結(jié)構(gòu)示意圖,.,31,日本東北大學(xué)采用金屬顆粒層-中間過渡顆粒層-陶瓷顆粒層的梯度模型，耐高溫一側(cè)采用氧化物、氮化物和碳化物耐熱陶瓷顆粒，在低溫側(cè)采用比強(qiáng)度高的Al、Ti合金顆?；?qū)嵝院玫腃u、Ni、Co等顆粒，中間層為金屬和陶瓷顆粒，其組成濃度按一定梯度分布調(diào)制。由于中間層的存在，緩和了熱應(yīng)力，解決了金屬和陶瓷結(jié)合不牢和易開裂的問題。,.,32,激光熔覆,把材料A放到基底B表面上，用激光將其與B基體中表面薄層一起熔化，在B表面形成B合金化的A層。重復(fù)操作，在B表面產(chǎn)生B含量逐漸減少的梯度。梯度變化可通過控制初始A層的數(shù)量、厚度及熔區(qū)深度來獲得。,激光熔覆將材料A合金化到材料B制備FGM示意圖,.,33,梯度功能材料的應(yīng)用,.,34,航天工業(yè),航天飛機(jī)在往返大氣層的過程中，機(jī)頭前端和機(jī)翼前沿服役溫度約2000K，冷表面的溫度低于1000K。把直徑為11.5m的高純石英纖維加壓成型，1290燒成后再按要求切成外形不同、大小不等的“磚塊”，粘貼到航天飛機(jī)蒙皮上。這種復(fù)合材料防熱系統(tǒng)的重復(fù)使用性、可靠性等存在較大問題。,發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)的陶瓷熱防護(hù)瓦,.,35,2003年2月，“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)爆炸，原因就是航天飛機(jī)的左翼在起飛時(shí)遭到從燃料箱上脫落的泡沫絕緣材料的撞擊，造成機(jī)體表面隔熱保護(hù)層出現(xiàn)大面積松動(dòng)和破損，形成可讓“熱氣進(jìn)入的空洞”，返航途中因超高溫空氣的進(jìn)入而徹底解體。,起飛時(shí)燃料箱上的脫落物擊中機(jī)翼,飛機(jī)的左翼上有兩條清晰的裂紋,.,36,按照基體/陶瓷比率設(shè)計(jì)具有梯度的金屬基/碳基復(fù)合結(jié)構(gòu)可解決上述問題。,設(shè)計(jì)梯度熱防護(hù)功能材料,.,37,日本開發(fā)了為小動(dòng)力火箭燃燒器和熱遮蔽材料用的梯度功能材料，目前已研制出能耐1700的ZrO2/Ni梯度功能材料，用作馬赫數(shù)大于20的并可重復(fù)使用的航天飛機(jī)機(jī)身材料?？仗祜w機(jī)高速飛行時(shí)機(jī)身和機(jī)翼的溫度也高達(dá)上千K，必須采用熱防護(hù)梯度材料解決熱應(yīng)力問題。梯度功能材料也可用于普通飛機(jī)的噴氣燃燒器。,空天飛機(jī),火箭燃燒室,.,38,2011年3月5日，美軍研制的第二架X-37B空天飛機(jī)發(fā)射升空-幫助美軍實(shí)現(xiàn)“兩小時(shí)內(nèi)攻擊地球上任意目標(biāo)的快速全球打擊”的戰(zhàn)略構(gòu)想，有可能成為美在后核武時(shí)代的撒手锏，確保美在核裁軍中的國家安全以及在常規(guī)武器上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。,2010年12月返回的第一架X-37b美軍空天飛機(jī),2011年已發(fā)射的第二架X-37b空天飛機(jī),英國Hotol空天飛機(jī)研制計(jì)劃-“云霄塔”無人空天飛機(jī)構(gòu)想圖,.,39,2011年6月20日，歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)宣布將打造世界上首架“零排放超音速飛機(jī)”，設(shè)計(jì)時(shí)速高達(dá)3000英里，從巴黎飛到東京只需2.5小時(shí)，起飛時(shí)先用普通的生物燃油發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)，爬到一定高度后改由使用氫氣和氧氣的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)，巡航高度可達(dá)32公里。,.,40,在艦船甲板上可采用含抗熱障、抗摩擦或抗沖擊的梯度功能材料涂層，或設(shè)計(jì)連續(xù)增強(qiáng)纖維排列的逐級(jí)梯度，顯著提高其缺口阻力，抑制微觀裂紋擴(kuò)張，大幅改善甲板的抗高速應(yīng)變和沖擊的能力，對(duì)艦船的防護(hù)及搭載飛行器具有重要意義。,航空母艦甲板,船舶工業(yè),.,41,為對(duì)柴油機(jī)或汽油機(jī)活塞頭進(jìn)行熱保護(hù)，需在鋼基底上噴涂厚度大于2mm的ZrO2涂層。如果直接在金屬上覆蓋陶瓷，在構(gòu)件投入使用前就會(huì)導(dǎo)致界面脫層。通過覆蓋一些陶瓷含量不斷增加的金屬-陶瓷復(fù)合梯度涂層，可保證涂層力學(xué)完整性，保護(hù)活塞。,柴油機(jī)活塞頭,汽油機(jī)活塞頭,汽車工業(yè),.,42,能源工業(yè),核反應(yīng)堆內(nèi)壁溫度高達(dá)數(shù)千K，其內(nèi)壁材料采用單純雙層結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)不好，孔洞較多，熱應(yīng)力下有剝離傾向。采用金屬/陶瓷結(jié)合的梯度材料，能消除熱傳遞及熱膨脹引起的應(yīng)力，解決界面問題，可替代目前不銹鋼/陶瓷復(fù)合材料。,核反應(yīng)堆,.,43,光學(xué)器件工業(yè),梯度功能材料推動(dòng)一個(gè)新的光學(xué)分支-梯度折射率光學(xué)的形成，在光學(xué)器件中有大量應(yīng)用。梯度折射率透鏡體積小、焦距短、消像差性好，組成的光學(xué)系統(tǒng)可大大減少非球面組件數(shù)，簡化光學(xué)器件結(jié)構(gòu)。梯度折射率光纖可以自聚焦，提高耦合效率。,梯度折射透鏡,棒透鏡,.,44,下表列出了梯度折射光學(xué)材料的一些應(yīng)用例子。,梯度折射率材料的應(yīng)用,.,45,生物醫(yī)學(xué)工業(yè),羥基磷灰石(HA)陶瓷和鈦或Ti-6Al-4V合金組成的梯廢功能材料可作為仿生人工關(guān)節(jié)和牙齒。HA是生物相容性優(yōu)良的生物活性陶瓷，鈦及其合金生物相容性也很好，強(qiáng)度高，人造牙的齒根外表采用耐磨性優(yōu)良的HA陶瓷，內(nèi)部采用可承受較大變形的鈦或Ti-6Al-4V合金。,梯度功能材料制成的人造牙,.,46,HA含量從外表面到內(nèi)表面逐漸減少，形成HA-玻璃-鈦功能梯度復(fù)合材料。燒結(jié)后特別適于植入人體，在保證良好的生物相