梯度功能材料

題目：梯度功能材料報告人:朱景川教授時間：2006年5月13日8：30-11：30近年來,材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。究其原因,一方面是因為各個學(xué)科的交叉滲透,引入了新理論方法及實驗技術(shù);另一方面是因為實際應(yīng)用的迫切需要而對材料提出了新的要求。功能梯度材料(functionallygradientmaterial,FGM)即是這方面一個很好的事例。它是近年來在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點之一。下面綜述了這方面的研究現(xiàn)狀,同時對其將來可能的發(fā)展趨勢進(jìn)行了討論。梯度功能材料是一種新型的功能復(fù)合材料它的兩側(cè)由不同性能的材料組成中間部分的組成和結(jié)構(gòu)連續(xù)地呈梯度變化從而使材料的性質(zhì)和功能也沿厚度方向呈梯度變化克服了不同材料結(jié)合的性能不匹配因素使兩種材料的優(yōu)勢都得到充分發(fā)揮。功能梯度材料的設(shè)計復(fù)合材料已在工程中得到廣泛應(yīng)用,然而傳統(tǒng)的復(fù)合材料,由于由兩種或以上的不同均勻材料結(jié)合在一起而存在明顯的界面,因此材料的物性參數(shù)如彈性模量、熱膨脹系數(shù)在該處不匹配,從而使得界面容易成為失效的源泉,界面設(shè)計也就成為復(fù)合材料設(shè)計的重要課題。另一方面隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,超音速航天飛機(jī)、超音速民用交通、現(xiàn)代航天飛行器以及下一代電力系統(tǒng)裝置都對材料的設(shè)計與應(yīng)用提出了新的要求。例如航天飛機(jī)的發(fā)展就面臨許多技術(shù)問題,特別在先進(jìn)隔熱材料方面,通常使用的陶瓷復(fù)合材料彌散強(qiáng)化陶瓷,已經(jīng)無法承受由于航天飛行環(huán)境中極端的溫度梯度引起的高熱應(yīng)力。FGM的設(shè)計一般采用逆設(shè)計系統(tǒng)即根據(jù)使用條件和性能要求對材料的組成和結(jié)構(gòu)的梯度分布進(jìn)行設(shè)計。以熱應(yīng)力緩和型耐熱材料為例根據(jù)指定的材料結(jié)構(gòu)、形狀及受熱環(huán)境得出熱力學(xué)邊界條件從已有材料合成及性能的知識庫中選擇有可能合成的材料組合體系及制備方法再用熱彈性理論及計算數(shù)學(xué)方法對選定材料體系組成的梯度分布函數(shù)進(jìn)行溫度分布模擬和熱應(yīng)力模擬尋求達(dá)到最大功能的組成分布指數(shù)。為了解決這類問題,日本材料學(xué)家新野正之(MasyuhiNINO)、平井敏雄(ToshioHIRA)和渡邊龍三(RyuzoWATANBE)等在20世紀(jì)80年代中后期提出了功能梯度材料的概念。功能梯度材料的研究開發(fā)最早始于1987年日本科學(xué)技術(shù)廳的一項“關(guān)于開發(fā)緩和熱應(yīng)力的功能梯度材料的基礎(chǔ)技術(shù)研究”計劃。所謂功能梯度材料是根據(jù)使用要求,選擇使用兩種不同性能的材料,采用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù),使中間的組成和結(jié)構(gòu)連續(xù)呈梯度變化,內(nèi)部不存在明顯的界面,從而使材料的性質(zhì)和功能沿厚度方向也呈梯度變化的一種新型復(fù)合材料。也就是材料組分在一定的空間方向上連續(xù)變化的一種復(fù)合材料。由于功能梯度材料的這種特點,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足。FGM的應(yīng)用現(xiàn)狀雖然FGM的開發(fā)初衷是針對航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的超耐熱材料但由于FGM具有成分、晶粒度等要素連續(xù)變化的特點.它可以將兩種完全不同的性能融于一體.使材料的綜合性能得以明顯提高.在機(jī)械、光電、核能、生物工程領(lǐng)域的應(yīng)用顯示出巨大的潛力。熱應(yīng)力緩和型梯度功能材料主要應(yīng)用其機(jī)械性能的梯度變化在航天航空飛機(jī)、衛(wèi)星、運(yùn)載火箭及核能領(lǐng)域中的超高溫環(huán)境使用FGM后可大幅度提高熱效率。光、電、磁梯度功能材料目前FGM壓電材料、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料及高溫超導(dǎo)材料都有效地解決兩者易分離的固有缺陷減少了界面態(tài)密度大大提高電磁、熱電及光電的轉(zhuǎn)化效率有的可提高寬波長區(qū)域的發(fā)光效率。在光學(xué)領(lǐng)域FGM典型的例子梯度折射率光導(dǎo)纖維可以解決光的定向遠(yuǎn)距離輸送問題從而提高了電信電視等信息領(lǐng)域的傳播效率。2.3在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以FGM制造的人造器官如人造牙齒、骨骸、關(guān)節(jié)等具有極好的生物相容性和高的柔韌性、可靠性和高的功能性。如Ti金屬磷灰石梯度功能材料可大大提高人造齒和人造骨的仿真水平可以把具有生物活性的羥基磷灰石與具有高度生物穩(wěn)定性、耐腐蝕及高強(qiáng)度的鈦金屬有機(jī)結(jié)合制造出強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕及具有生物活性的人工齒骨。2.4在機(jī)械工程領(lǐng)域梯度涂層材料可以有效地松弛涂層與基體界面處產(chǎn)生的熱應(yīng)力.防止微裂紋的產(chǎn)生.消除剝落現(xiàn)象.延長工件的使用壽命。梯度功能材料的制備制備FGM的工藝方法很多'一般來講可以分為氣相、液相和固相三大類。3.1氣相沉積法：包括化學(xué)氣相沉積（CVD）法和物理氣相沉積（PVD）法等主要通過控制彌散相的濃度在厚度方向上實現(xiàn)組分的梯度化合成的材料組織致密但只適用于薄膜通常厚度小于ImmCVD法是通過控制反應(yīng)氣體的濃度或控制CVD條件在基板上獲得連續(xù)漸變膜的方法能按設(shè)計要求精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化無須燒結(jié)即可制備出致密、性能優(yōu)異的FGM。PVD法是通過物理加熱方法使源物質(zhì)加熱蒸發(fā)而在基板上成膜的制備方法目前主要使用的材料是Ti-TiC,Cr-CrC/CrC,CrN等。3.2自蔓延高溫合成法：（簡稱SHS法），將構(gòu)成化合物的元素粉末和金屬粉末按梯度組成填充靜壓成型放入反應(yīng)容器在一端點火燃燒由于反應(yīng)向前傳播最終即可形成由反應(yīng)產(chǎn)物與金屬構(gòu)成的FGMSHS法制備FGM反應(yīng)速度快、能耗少、設(shè)備簡單、適用范圍廣但是合成的材料空隙率較大機(jī)械強(qiáng)度較低。3.3等離子噴涂（PS）法：以氣體作載體將噴涂材料粉末吹入等離子射流中使之成熔融態(tài)并以極高的速度噴射至基材表面形成扁平的層狀結(jié)構(gòu)涂層通過控制噴涂材料的成分可以合成出沿截面具有成分漸變的FGM材料。此外通過調(diào)整噴涂位置、粉末粒度、噴涂壓力及噴射速度等參量來調(diào)節(jié)噴涂量可以在幾何形態(tài)復(fù)雜的器件表面制備大面積的熱障梯度涂層但是成本較高。3.4粉末冶金（PM）法：是制備FGM最廣泛的方法。這種方法以各種金屬、非金屬及化合物粉末為原料采用疊層法、噴射積層法、粉漿澆注法、涂掛法等工藝成形后進(jìn)行燒結(jié)后處理通過控制最終可獲得沿截面具有連續(xù)成分或晶粒度梯度的材料。3.5電沉積法:是將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中通過注入另一相的懸浮液使之混合并控制注入速率而改變組成比在電場作用下電荷的懸浮顆粒就在電極上沉積下來最后得到FGM膜或材料。該法工藝設(shè)備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低精度易控制生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點。3.6激光熔覆法(LSC):是隨著激光技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新興的材料制備方法。其原理是將混合粉在基體表面形成熔池并在此基礎(chǔ)上通過改變粉末成分向熔池中不斷噴粉以獲得梯度功能涂層的粉末通過噴嘴噴至基體表面然后通過改變激光功率、光斑尺寸和掃描速度加熱粉體層。3.7離心鑄造法:制備梯度功能材料是1990年由日本學(xué)者福井泰好首先提出的新型制備工藝,這種方法積極利用離心力場中強(qiáng)化相質(zhì)點與液態(tài)金屬熔體之間的密度差異引起的質(zhì)點偏析現(xiàn)象制備出強(qiáng)化相呈梯度分布的功能材料。梯度功能材料ZrO-Ni功能梯度材料2通過抗熱震參數(shù)分析和熱循環(huán)試驗研究ZrO-Ni功能梯度材料的熱沖擊與熱疲勞行為及其影響因素。結(jié)果表明ZrO-NiFGM抗熱震參數(shù)呈梯度分布ZrO側(cè)抗熱沖擊斷裂能力強(qiáng)而富Ni區(qū)熱疲勞抗力高。其熱震破壞符合熱疲勞損傷機(jī)理裂紋的準(zhǔn)靜態(tài)擴(kuò)展為其控制因素。熱疲勞裂紋在梯度層內(nèi)以微孔聚集、連接方式萌生和擴(kuò)展而在梯度層間無橫向貫穿裂紋克服了傳統(tǒng)陶瓷/金屬結(jié)合體的界面熱應(yīng)力剝離問題。HA-Ti功能梯度材料用粉末冶金法制備出HATi/Ti/HATi軸對稱生物功能材料并測定HATi復(fù)合體材料的力學(xué)性能和熱膨脹系數(shù)。應(yīng)用經(jīng)典疊層板理論和熱彈性力學(xué)理論分析了直接疊層體和軸對稱FGM制備殘余熱應(yīng)力。結(jié)果表明其微觀組織呈對稱型梯度化分布。FGM中間純Ti層具有最高的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性而表面層的彈性模量最低。從生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的角度看力學(xué)性能如此分布的生物材料正是所期望的。其熱膨脹系數(shù)隨著HA含量和溫度的升高而增大。制備殘余熱應(yīng)力強(qiáng)烈依賴于組成分布組成對稱梯度化分布導(dǎo)致了FGM中殘余熱應(yīng)力也呈現(xiàn)對稱梯度化分布并降低了其表面層制備殘余拉應(yīng)力。存在的問題作為一種新型功能材料,梯度