梯功能材料PPT課件

1、1第六講第六講 梯度功能材料梯度功能材料 Gradient Function Materials 第1頁/共49頁2 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 梯度功能材料的發(fā)展梯度功能材料的發(fā)展 梯度功能材料的原理及特點(diǎn)梯度功能材料的原理及特點(diǎn) 梯度功能材料的制備梯度功能材料的制備 梯度功能材料的應(yīng)用梯度功能材料的應(yīng)用第2頁/共49頁3 許多結(jié)構(gòu)件會(huì)遇到各種服役條許多結(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)隨件，因此要求材料的性能應(yīng)隨構(gòu)件位置不同而不同構(gòu)件位置不同而不同。刀具只需刃部堅(jiān)硬，其它部位需刀具只需刃部堅(jiān)硬，其它部位需要具有高強(qiáng)度和韌性；要具有高強(qiáng)度和韌性；齒輪輪體必須有好的韌性，表面齒輪輪體必須有好

2、的韌性，表面必須堅(jiān)硬和耐磨；必須堅(jiān)硬和耐磨；渦輪葉片的主體必須具有高強(qiáng)度、渦輪葉片的主體必須具有高強(qiáng)度、高韌性和抗蠕變，而它的外表面高韌性和抗蠕變，而它的外表面必須耐熱和抗氧化。必須耐熱和抗氧化。 諸如此類，工程應(yīng)用的許多材諸如此類，工程應(yīng)用的許多材料都屬于這個(gè)范疇。料都屬于這個(gè)范疇。中國刀中國刀渦輪葉片渦輪葉片第3頁/共49頁4 構(gòu)件中構(gòu)件中材料成分和性能的突然變化材料成分和性能的突然變化常常會(huì)導(dǎo)致明顯常常會(huì)導(dǎo)致明顯的局部應(yīng)力集中。的局部應(yīng)力集中。如果一種材料過渡到另一種材料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。是逐步進(jìn)行的，這些應(yīng)力集中就會(huì)大大地降低。 為減

3、少材料的應(yīng)力集中，提高材料性能，人們發(fā)展為減少材料的應(yīng)力集中，提高材料性能，人們發(fā)展了新型的了新型的功能梯度材料功能梯度材料(簡稱簡稱FGM) 。 日本、美國、德國、俄羅斯、英國、法國、瑞士等日本、美國、德國、俄羅斯、英國、法國、瑞士等許多國家都開展許多國家都開展FGM的研究，其應(yīng)用已擴(kuò)展到宇航、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。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)航天工業(yè)交通工業(yè)交通工業(yè)化工工業(yè)化工工業(yè)第4頁/共49頁5梯度功能材料的發(fā)展梯度功能材料的發(fā)展 第5頁/共49頁6 梯度功能材料是一種梯度功能材料是一種集各種組分集各種組分(

4、如金屬、陶瓷、如金屬、陶瓷、纖維、聚合物等纖維、聚合物等)于一體于一體的新型材料，其微觀結(jié)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)變化連續(xù)變化，以適應(yīng)不同環(huán)境，以適應(yīng)不同環(huán)境，實(shí)現(xiàn)某一特殊功實(shí)現(xiàn)某一特殊功能能。梯度功能材料制備的耐磨軸承，外表為陶瓷，梯度功能材料制備的耐磨軸承，外表為陶瓷，內(nèi)表面為金屬內(nèi)表面為金屬第6頁/共49頁7 梯度功能材料早就出現(xiàn)在自然界中。梯度功能材料早就出現(xiàn)在自然界中。 竹子竹子是一種典型的梯度功能材料，人類和動(dòng)物身體是一種典型的梯度功能材料，人類和動(dòng)物身體中的中的骨骼骨骼也是一種梯度材料，也是一種梯度材

5、料，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中的最其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中的最強(qiáng)單元承受最高的應(yīng)力強(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。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。有生命的有生命的FGMs是是“有智能的有智能的”，它們能感受所處環(huán)，它們能感受所處環(huán)境的變化境的變化(包括局部應(yīng)力集中包括局部應(yīng)力集中)，產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修改，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。而人造梯度材料至少在目前還缺乏這種功能。竹子竹子竹節(jié)中纖維素含量變化竹節(jié)中纖維素含量變化第7頁/共49頁8人體長骨結(jié)構(gòu)示意圖人體長骨結(jié)構(gòu)示意圖第8頁/共49頁9 人造梯度功能材料也不是新事物。越王勾踐劍深埋

6、地人造梯度功能材料也不是新事物。越王勾踐劍深埋地下下2400多年，多年，1965年出土?xí)r依舊寒光逼人，鋒利無比。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，硫化銅可防銹度大，非常鋒利；護(hù)手花紋處含硫高，硫化銅可防銹蝕。蝕。第9頁/共49頁10 1900年，美國用明膠作成年，美國用明膠作成光折射率沿徑向

7、連續(xù)變化光折射率沿徑向連續(xù)變化的圓柱棒，稱為梯度折射的圓柱棒，稱為梯度折射材料。由于制作工藝沒有材料。由于制作工藝沒有解決，未能得到實(shí)際應(yīng)用。解決，未能得到實(shí)際應(yīng)用。 1969年，日本板玻璃公司年，日本板玻璃公司的北野等人制成的北野等人制成梯度折射梯度折射棒材和光纖棒材和光纖，達(dá)到了實(shí)用，達(dá)到了實(shí)用水平，梯度折射率材料的水平，梯度折射率材料的研究迅速發(fā)展起來。研究迅速發(fā)展起來。中國劍中國劍梯度折射玻璃梯度折射玻璃第10頁/共49頁11 功能梯度材料作為一個(gè)規(guī)范化正式概念，于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。年由日本國立宇航實(shí)驗(yàn)室提出。 航天飛機(jī)中，燃燒室

8、內(nèi)外表面溫差達(dá)到航天飛機(jī)中，燃燒室內(nèi)外表面溫差達(dá)到1000K以上，以上，普通的金屬材料難以滿足這種苛刻的使用環(huán)境。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)想的表面溫度航天飛機(jī)飛行時(shí)預(yù)想的表面溫度第11頁/共49頁12 1987年，日本年，日本平井敏雄、新野正之和渡邊龍平井敏雄、新野正之和渡邊龍三人提三人提出使金屬出使金屬/陶瓷復(fù)合材料的陶瓷復(fù)合材料的組分、結(jié)構(gòu)和性能呈連組分、結(jié)構(gòu)和性能呈連續(xù)變化續(xù)變化的的熱防護(hù)梯度功能材料熱防護(hù)梯度功能材料的概念。的概念。 1990年，日本召開第一屆梯度功能材料國際研討會(huì)。年，日本召開第一屆梯度功能材料國際研討會(huì)。熱防護(hù)梯度熱防護(hù)梯度梯度復(fù)合

9、管梯度復(fù)合管第12頁/共49頁13 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。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。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)行人為組將預(yù)先存在的不同相進(jìn)行人為組合合)。 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功能梯度材料已

10、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。領(lǐng)域中的重要主題之一。摩擦溫升后，梯度材料變化較摩擦溫升后，梯度材料變化較小，普通材料則變成蘭紫色小，普通材料則變成蘭紫色第13頁/共49頁14梯度功能材料的原理及特點(diǎn)梯度功能材料的原理及特點(diǎn) 第14頁/共49頁15 梯度功能材料由幾種性質(zhì)不同的材料組成，但梯度功能材料由幾種性質(zhì)不同的材料組成，但與與復(fù)合材料之間有明顯區(qū)別復(fù)合材料之間有明顯區(qū)別。材料材料復(fù)合材料復(fù)合材料梯度材料梯度材料設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)思想材料優(yōu)點(diǎn)的相互材料優(yōu)點(diǎn)的相互復(fù)合復(fù)合特殊功能為目標(biāo)特殊功能為目標(biāo)結(jié)合方式結(jié)合方式化學(xué)鍵化學(xué)鍵/ /物理鍵物理鍵分子間力分子間力/ /化學(xué)鍵化學(xué)

11、鍵/ /物物理鍵理鍵微觀組織微觀組織界面處非均質(zhì)界面處非均質(zhì)均質(zhì)均質(zhì)/ /非均質(zhì)非均質(zhì)宏觀組織宏觀組織均質(zhì)均質(zhì)非均質(zhì)（連續(xù)變化）非均質(zhì)（連續(xù)變化）功能功能一致一致 梯度化梯度化梯度功能材料與復(fù)合材料比較梯度功能材料與復(fù)合材料比較第15頁/共49頁16 梯度功能材料主要通過梯度功能材料主要通過連續(xù)控制材料的微觀要連續(xù)控制材料的微觀要素素( (包括組成、結(jié)構(gòu)包括組成、結(jié)構(gòu)) )，使界面的成分和組織呈，使界面的成分和組織呈連續(xù)性連續(xù)性變化，主要特征有：變化，主要特征有：材料的組分和結(jié)構(gòu)呈材料的組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)性連續(xù)性梯度變化；梯度變化；材料內(nèi)部材料內(nèi)部沒有沒有明顯的界面；明顯的界面；材料的性質(zhì)也呈材

12、料的性質(zhì)也呈連續(xù)性連續(xù)性梯度變化梯度變化。ZrO2-CrNi合金合金FGM橫橫截面，白色的陶瓷粉末與截面，白色的陶瓷粉末與黑色的合金粉末含量呈連黑色的合金粉末含量呈連續(xù)性梯度變化，沒有明顯續(xù)性梯度變化，沒有明顯的界面，的界面，第16頁/共49頁17 金屬金屬- -陶瓷構(gòu)成的陶瓷構(gòu)成的熱應(yīng)力緩和梯度功能材料熱應(yīng)力緩和梯度功能材料，對，對高溫側(cè)壁采用耐熱性好的陶瓷材料，低溫側(cè)壁使高溫側(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。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，材料從陶瓷過渡到金屬的過程中，耐熱性逐漸降低，耐熱性逐漸降低，機(jī)械強(qiáng)度逐漸升高。機(jī)械強(qiáng)度逐漸升高。

13、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)到峰值值( (比突變界面的應(yīng)力峰值小得多比突變界面的應(yīng)力峰值小得多) )，具有緩和熱應(yīng)力的功能。具有緩和熱應(yīng)力的功能。金屬和陶瓷構(gòu)成的材料特性金屬和陶瓷構(gòu)成的材料特性(a)無梯度；無梯度；(b)有梯度有梯度第17頁/共49頁18不銹鋼陶瓷不銹鋼陶瓷(Si3N4)界面上應(yīng)力分布界面上應(yīng)力分布 (單位：單位：1/100MPa) （a）無梯度；（）無梯度；（b）有梯度）有梯度 虛線壓應(yīng)力區(qū)；虛線壓應(yīng)力區(qū)；0 0無應(yīng)力區(qū)無應(yīng)力區(qū)比較發(fā)現(xiàn)：比較發(fā)現(xiàn)： 成分突變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中成分突變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中成分逐步過渡，應(yīng)力集中

14、大大降低，有成分逐步過渡，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，有梯度樣品有無梯度樣品冷卻時(shí)開裂，有梯度樣品有近近400MPa結(jié)合強(qiáng)度結(jié)合強(qiáng)度第18頁/共49頁19與突變界面相比，梯度材料可在成分中與突變界面相比，梯度材料可在成分中引入連續(xù)引入連續(xù)的或逐級的梯度來的或逐級的梯度來提高不同固體提高不同固體( (如金屬和陶瓷如金屬和陶瓷) )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；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)的連熱防護(hù)梯度功能

15、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。裂，防止材料的失效。第19頁/共49頁20梯度功能材料的制備方法梯度功能材料的制備方法 第20頁/共49頁21 梯度功能材料的制備技術(shù)和方法，綜合了超細(xì)、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)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)。控制技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)。化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法(CVD)物理蒸鍍法物理蒸鍍法(PVD)等離子噴涂法等離子噴涂法(PS)自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法(SHS)粉末冶金法

16、粉末冶金法激光熔覆法激光熔覆法化學(xué)氣相滲透法化學(xué)氣相滲透法(CVI)電解析出法等電解析出法等第21頁/共49頁22化學(xué)氣相沉積法化學(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制備FGM的方法。的方法。 CVD法可通過法可通過選擇合成溫度選擇合成溫度、調(diào)節(jié)原料氣流量和壓調(diào)節(jié)原料氣流量和壓力等力等來控制來控制FGM各組元的成分和結(jié)構(gòu)，而且可各組元的成分和結(jié)構(gòu)，而且可鍍復(fù)鍍復(fù)雜形狀的表面雜形狀的表面；沉積面光滑致密，沉積率高，成為；沉積面光滑致密，沉積

17、率高，成為制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的FGM涂層關(guān)鍵技術(shù)之一。涂層關(guān)鍵技術(shù)之一。CVDCVD工藝原理圖工藝原理圖第22頁/共49頁23 將含金屬將含金屬/非金屬鹵化物的原料氣體進(jìn)行均勻混合，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。在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，使生成物沉積在基板上。 目前，己用目前，己用CVD法制備出厚度為的法制備出厚度為的SiC/C、TiC/C、SiC/TiC、Al/C系系FGM?；瘜W(xué)沉積系統(tǒng)化學(xué)沉積系統(tǒng)化學(xué)沉積立方化學(xué)沉積立方ZrO2/C梯度材料梯度材料第23頁/共49頁24物理蒸鍍法物理蒸鍍法 PVD法是通過物理法使源物質(zhì)加熱蒸發(fā)，進(jìn)而在法

18、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。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，常法得到的膜較薄，每層膜是單純某物系，常和和CVD法結(jié)合使用；法結(jié)合使用； 目前已制出目前已制出TiC/Ti、TiN/Ti、CrN/Cr 、TiAlN/Ti和和SiC/C/TiN等多層梯度功能材料。等多層梯度功能材料。PVD鍍膜器件鍍膜器件第24頁/共49頁25等離子噴涂法等離子噴涂法 等離子體噴涂能同時(shí)熔化難熔相和金屬，通過等離子體噴涂能同時(shí)熔化難熔相和金屬，通過控控制兩種粉末的相對供

19、給速率制兩種粉末的相對供給速率來預(yù)先設(shè)置混合比率。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。速?zèng)_撞在基材表面形成涂層。等離子噴涂等離子噴涂第25頁/共49頁26 等離子噴涂適合形狀復(fù)雜表面的梯度涂覆加工。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 層在 基 板 上 噴 涂 單 層 N i C r 合 金 粉 末

20、； 再 用合 金 粉 末 ； 再 用10%ZrO2粉和粉和90NiCr合金粉末噴涂；在配料合金粉末噴涂；在配料中逐步減少合金粉末；最后用中逐步減少合金粉末；最后用100ZrO2粉末噴粉末噴涂，此技術(shù)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)材料的表面改性表面改性，材料表面能承受，材料表面能承受1100-1300的高溫，的高溫，內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到500-600。 日本采用等離子噴涂技術(shù)噴涂日本采用等離子噴涂技術(shù)噴涂ZrO2/Y2O陶瓷粉陶瓷粉末和末和Ni-Cr-Al-Y合金粉末，形成梯度涂層，明顯合金粉末，形成梯度涂層，明顯提高基體金屬的隔熱性和耐熱疲勞性。提

21、高基體金屬的隔熱性和耐熱疲勞性。第26頁/共49頁27自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法 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)自傳播性性，通過，通過初始反應(yīng)物濃度分布的空間變化，初始反應(yīng)物濃度分布的空間變化，使材料使材料燃燒和合成來制備燃燒和合成來制備FGM的方法稱為的方法稱為自蔓延高溫合自蔓延高溫合成法成法。 該法的特點(diǎn)是該法的特點(diǎn)是利用放熱反應(yīng)的能量使化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)利用放熱反應(yīng)的能量使化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)持續(xù)下去持續(xù)下去，操作簡單，反應(yīng)迅速，最適合于生成熱，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大的化合物的合成如AlN、TiC、TiB2等。等

22、。自蔓延高溫合成自蔓延高溫合成自蔓延合成材料自蔓延合成材料第27頁/共49頁28 燃燒合成燃燒合成FGM中，整體的宏觀梯度通常被保留中，整體的宏觀梯度通常被保留在樣品中，局部發(fā)現(xiàn)在在樣品中，局部發(fā)現(xiàn)在FGM內(nèi)部存在有限的物內(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。所代替。 日本采用連續(xù)成型的日本采用連續(xù)成型的電磁加壓自蔓延電磁加壓自蔓延技術(shù)合成技術(shù)合成TiB2/Cu、TiC/Ni等梯度功能材料。等梯度功能材料。 我國采用我國采用爆炸壓實(shí)自蔓延爆炸

23、壓實(shí)自蔓延高溫合成技術(shù)制備了高溫合成技術(shù)制備了Al2O3/Ti系梯度功能材料，組織結(jié)構(gòu)呈梯度變化，系梯度功能材料，組織結(jié)構(gòu)呈梯度變化，理論密度提高到理論密度提高到94%，顯微硬度，顯微硬度Hv達(dá)到。達(dá)到。第28頁/共49頁29顆粒梯度排列法顆粒梯度排列法 將金屬、陶瓷等粉末將金屬、陶瓷等粉末按一按一定梯度分布直接填充到模定梯度分布直接填充到模具中加壓燒結(jié)具中加壓燒結(jié)；也可將不；也可將不同組分粉末壓成薄膜同組分粉末壓成薄膜/ /片后片后進(jìn)行疊層燒結(jié)。進(jìn)行疊層燒結(jié)。 控制各組分混合比，使粉控制各組分混合比，使粉坯梯度層間任一組分濃度坯梯度層間任一組分濃度變化較小，梯度層間接合變化較小，梯度層間接合

24、緊密。緊密。 調(diào)節(jié)粉末粒度分布和燒結(jié)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)工藝，可得具有良好熱應(yīng)力緩和的梯度功能材料。力緩和的梯度功能材料。通過粉末混合燒結(jié)形成的通過粉末混合燒結(jié)形成的FGMFGM結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖第29頁/共49頁30 日本東北大學(xué)采用金屬顆粒層日本東北大學(xué)采用金屬顆粒層-中間過渡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、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)度高的強(qiáng)度高的Al、Ti合金顆粒或?qū)嵝院玫暮辖痤w?；?qū)嵝院玫腃u、Ni、Co等顆粒，中間層為

25、金屬和陶瓷顆粒，其組成等顆粒，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。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。和陶瓷結(jié)合不牢和易開裂的問題。第30頁/共49頁31激光熔覆激光熔覆 把材料把材料A放到基底放到基底B表面上，用激光將其與表面上，用激光將其與B基體基體中表面薄層一起熔化，在中表面薄層一起熔化，在B表面形成表面形成B合金化的合金化的A層。層。 重復(fù)操作，在重復(fù)操作，在B表面產(chǎn)生表面產(chǎn)生B含量逐漸減少的梯度。含量逐漸減少的梯度。 梯度變化可通過控制初始梯度變化可通過控制初始A

26、層的數(shù)量、厚度及熔區(qū)層的數(shù)量、厚度及熔區(qū)深度來獲得。深度來獲得。激光熔覆將材料激光熔覆將材料A A合金化到材料合金化到材料B B制備制備FGMFGM示意圖示意圖第31頁/共49頁32梯度功能材料的應(yīng)用梯度功能材料的應(yīng)用第32頁/共49頁33航天工業(yè)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)航天飛機(jī)在往返大氣層的過程中，機(jī)頭前端和機(jī)翼前沿服役溫度約翼前沿服役溫度約2000K，冷表面的溫度低于，冷表面的溫度低于1000K。 把直徑為把直徑為 m的高純石英纖維加壓成型，的高純石英纖維加壓成型，1290燒燒成后再按要求切成外形不同、大小不等的成后再按要求切成外形不同、大小不等的“磚磚塊塊”，

27、粘貼到航天飛機(jī)蒙皮上。這種復(fù)合材料防，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。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)號航天飛機(jī)的陶瓷熱防護(hù)瓦發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)的陶瓷熱防護(hù)瓦第33頁/共49頁34 2003年年2月，月，“哥倫比亞哥倫比亞”號航天飛機(jī)爆炸，原號航天飛機(jī)爆炸，原因就是航天飛機(jī)的因就是航天飛機(jī)的左翼在起飛時(shí)遭到從燃料箱上左翼在起飛時(shí)遭到從燃料箱上脫落的泡沫絕緣材料的撞擊脫落的泡沫絕緣材料的撞擊，造成機(jī)體表面隔熱，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，形成可讓保護(hù)層出現(xiàn)大面積松動(dòng)和破損，形成可讓“熱氣熱氣進(jìn)入的空洞進(jìn)入的空洞”，返航途中

28、因超高溫空氣的進(jìn)入而，返航途中因超高溫空氣的進(jìn)入而徹底解體。徹底解體。起飛時(shí)燃料箱上的脫落物擊中機(jī)翼起飛時(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飛機(jī)的左翼上有兩條清晰的裂紋 第34頁/共49頁35 按照基體按照基體/陶瓷比率設(shè)計(jì)具有梯度的金屬基陶瓷比率設(shè)計(jì)具有梯度的金屬基/碳碳基復(fù)合結(jié)構(gòu)可解決上述問題?；鶑?fù)合結(jié)構(gòu)可解決上述問題。 設(shè)計(jì)梯度熱防護(hù)功能材料設(shè)計(jì)梯度熱防護(hù)功能材料第35頁/共49頁36 日本開發(fā)了為小動(dòng)力火箭燃燒器和熱遮蔽材料用日本開發(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，目前已研制出能耐的梯度功能材料，目前已研制出能耐1700的的ZrO2/Ni梯度功能材料

29、梯度功能材料，用作馬赫數(shù)大于，用作馬赫數(shù)大于20的并的并可重復(fù)使用的航天飛機(jī)機(jī)身材料。可重復(fù)使用的航天飛機(jī)機(jī)身材料。 空天飛機(jī)空天飛機(jī)高速飛行時(shí)機(jī)身和機(jī)翼的溫度也高達(dá)上高速飛行時(shí)機(jī)身和機(jī)翼的溫度也高達(dá)上千千K，必須采用熱防護(hù)梯度材料解決熱應(yīng)力問題。，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。梯度功能材料也可用于普通飛機(jī)的噴氣燃燒器?？仗祜w機(jī)空天飛機(jī)火箭燃燒室火箭燃燒室第36頁/共49頁37 2011年年3月月5日，美軍研制的第二架日，美軍研制的第二架X-37B空天飛空天飛機(jī)發(fā)射升空機(jī)發(fā)射升空-幫助美軍實(shí)現(xiàn)幫助美軍實(shí)現(xiàn)“兩小時(shí)內(nèi)攻擊地球兩小時(shí)內(nèi)攻擊地球上任

30、意目標(biāo)的快速全球打擊上任意目標(biāo)的快速全球打擊”的戰(zhàn)略構(gòu)想，有可的戰(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)武器上的絕對優(yōu)勢。軍中的國家安全以及在常規(guī)武器上的絕對優(yōu)勢。 2010年年12月返回的第一月返回的第一架架X-37b美軍空天飛機(jī)美軍空天飛機(jī)2011年已發(fā)射的第二年已發(fā)射的第二架架X-37b空天飛機(jī)空天飛機(jī)英國英國Hotol空天飛機(jī)研空天飛機(jī)研制計(jì)劃制計(jì)劃-“云霄塔云霄塔”無人無人空天飛機(jī)構(gòu)想圖空天飛機(jī)構(gòu)想圖第37頁/共49頁38 2011年年6月月20日，歐洲宇航日，歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)宣布將打造世界防務(wù)集團(tuán)宣布

31、將打造世界上首架上首架“零排放超音速飛零排放超音速飛機(jī)機(jī)” ，設(shè)計(jì)時(shí)速高達(dá)，設(shè)計(jì)時(shí)速高達(dá)3000英里，從巴黎飛到東京只英里，從巴黎飛到東京只需小時(shí)，需小時(shí)， 起飛時(shí)先用普通的起飛時(shí)先用普通的生物燃生物燃油油發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)，爬到一定發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)，爬到一定高度后改由使用高度后改由使用氫氣和氧氫氣和氧氣氣的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)，巡的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)，巡航高度可達(dá)航高度可達(dá)32公里。公里。第38頁/共49頁39 在艦船甲板上可采用含抗熱障、抗摩擦或抗沖擊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)纖維排列的逐級梯度，顯著提高其缺口阻力，抑制微

32、觀裂的逐級梯度，顯著提高其缺口阻力，抑制微觀裂紋擴(kuò)張，紋擴(kuò)張，大幅改善甲板的抗高速應(yīng)變和沖擊的能大幅改善甲板的抗高速應(yīng)變和沖擊的能力，對艦船的防護(hù)及搭載飛行器具有重要意義。力，對艦船的防護(hù)及搭載飛行器具有重要意義。航空母艦甲板航空母艦甲板船舶工業(yè)船舶工業(yè)第39頁/共49頁40 為對柴油機(jī)或汽油機(jī)活塞頭進(jìn)行熱保護(hù)，需在鋼基為對柴油機(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底上噴涂厚度大于2mm的的ZrO2涂層。如果直接在涂層。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。脫層。 通過覆蓋一些陶瓷含量不斷增加的金屬通過覆蓋一些陶瓷

33、含量不斷增加的金屬-陶瓷復(fù)合陶瓷復(fù)合梯度涂層，可保證涂層力學(xué)完整性，保護(hù)活塞。梯度涂層，可保證涂層力學(xué)完整性，保護(hù)活塞。柴油機(jī)活塞頭柴油機(jī)活塞頭汽油機(jī)活塞頭汽油機(jī)活塞頭汽車工業(yè)汽車工業(yè)第40頁/共49頁41能源工業(yè)能源工業(yè) 核反應(yīng)堆內(nèi)壁溫度高達(dá)數(shù)千核反應(yīng)堆內(nèi)壁溫度高達(dá)數(shù)千K，其內(nèi)壁材料采用單，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。剝離傾向。 采用金屬采用金屬/陶瓷結(jié)合的梯度材料，能消除熱傳遞及陶瓷結(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，可替代目前不熱膨脹引起的應(yīng)力，解決界面問題，可替代目前不銹鋼銹

34、鋼/陶瓷復(fù)合材料。陶瓷復(fù)合材料。核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆第41頁/共49頁42光學(xué)器件工業(yè)光學(xué)器件工業(yè) 梯度功能材料推動(dòng)一個(gè)新的光梯度功能材料推動(dòng)一個(gè)新的光學(xué)分支學(xué)分支-梯度折射率光學(xué)梯度折射率光學(xué)的形的形成，在光學(xué)器件中有大量應(yīng)用。成，在光學(xué)器件中有大量應(yīng)用。 梯度折射率透鏡體積小、焦距梯度折射率透鏡體積小、焦距短、消像差性好，組成的光學(xué)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)，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)簡化光學(xué)器件結(jié)構(gòu)。 梯度折射率光纖可以自聚焦，梯度折射率光纖可以自聚焦，提高耦合效率。提高耦合效率。梯度折射透鏡梯度折射透鏡棒透鏡棒透鏡第42頁/共49頁43 下表列出了梯度折射光學(xué)材料的一些應(yīng)用例子。下表列出了梯度折射光學(xué)材料的一些應(yīng)用例子。光學(xué)器件系統(tǒng)光學(xué)器件系統(tǒng)設(shè)計(jì)或應(yīng)用的例子設(shè)計(jì)或應(yīng)用的例子成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)準(zhǔn)直透鏡、施密特校正鏡、攝影透鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直透鏡、施密特校正鏡、攝影透鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡復(fù)印機(jī)系統(tǒng)復(fù)印機(jī)系統(tǒng)棒透鏡系列棒透鏡系列內(nèi)窺鏡系統(tǒng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡醫(yī)用內(nèi)