蒙詩(shī)貴@功能梯度材料

功能梯度材料

（FunctionalGradientMaterials）蒙詩(shī)貴20101622主要內(nèi)容

1功能梯度概述2功能梯度材料的設(shè)計(jì)過(guò)程3功能梯度材料的制備方法4功能梯度材料的應(yīng)用1.1功能梯度概述20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，材料的隔熱成了最大的問(wèn)題，特殊的服役環(huán)境致使一般的勻質(zhì)材料面臨著高溫和大的溫度梯度的挑戰(zhàn)，即使足采用陶瓷或金屬?gòu)?fù)合材料，由于兩者的熱膨脹系數(shù)的差異，在高溫使用時(shí)也會(huì)產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致在材料表層出現(xiàn)剝落或龜裂，使材料失效。

針對(duì)這種情況，日本材料科學(xué)家新野正之、平井敏雄和渡邊龍等于1987年首先提出了功能梯度材料的概念。下圖為ＦＧＭ的示意圖。ＦＧＭ的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在可以連接２種不相容的材料，提高粘結(jié)強(qiáng)度，減小不同材料之間的殘余應(yīng)力和裂紋驅(qū)動(dòng)力，消除不同材料界面的交叉點(diǎn)。圖1FGM結(jié)構(gòu)和特性示意圖2）指材料的組成和結(jié)構(gòu)從材料的某一方位（一維二維或者三維）向另一方位連續(xù)地變化，使材料的性能和功能也呈現(xiàn)梯度變化的一種新型的功能性材料．（functionalgradientmaterials）

1.2

FGM的概念

1）它是指一類組成結(jié)構(gòu)和性能在材料厚度或長(zhǎng)度方向連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化的非均質(zhì)復(fù)合材料。（functionallygradedmaterials新野正之）1.3梯度材料與合金材料、復(fù)合材料的區(qū)別

材料混雜材料復(fù)合材料梯度材料設(shè)計(jì)思想分子、原子級(jí)水平合金化組分優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合特殊功能為目標(biāo)組織結(jié)構(gòu)0.1nm-0.1μm0.1μm-1m10nm-10mm結(jié)合方式化學(xué)鍵、物理鍵分子間力分子間力/物理鍵/化學(xué)鍵圍觀組織均質(zhì)/非均質(zhì)非均質(zhì)均質(zhì)/非均質(zhì)宏觀組織均質(zhì)均質(zhì)非均質(zhì)功能一致一致梯度化1.4FGM和傳統(tǒng)復(fù)合材料相比具有的優(yōu)勢(shì)1)將FGM用作界面層來(lái)連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動(dòng)力。1.5功能梯度材料的分類1）按組合方式分金屬/金屬金屬/非金屬金屬/陶瓷非金屬/塑料非金屬/陶瓷陶瓷/陶瓷2）趁按組俘成變孝化分①梯領(lǐng)度功療能整笛體型悔(從膽一側(cè)著到另票一側(cè)蝴組成課梯度廊變化趨)②梯時(shí)度功勾能涂割履型患(涂缸層的召組成窄梯度農(nóng)變化烘)③梯挎度功根能連劣接型李(粘然接接警縫的座組成濃梯度漆變化)3）搶按梯午度性部質(zhì)變鉛化分因?yàn)槊苈抖菷急GM帥，成丈分F陸GM滾，光愉學(xué)F估GM援，精翠細(xì)F歡GM居等；4）屋根據(jù)寸不同疏的應(yīng)兩用領(lǐng)搭域有枝可分吹為耐裳熱F槍GM消，生待物、雁化學(xué)巷工程鵝FG永M，蛇電子順工程雞FG僻M等染。22原功能眼梯度米材料原的設(shè)滋計(jì)過(guò)卸程a.通過(guò)換計(jì)算銹機(jī)輔渡助設(shè)駱計(jì)系任統(tǒng)，①根據(jù)慰指定農(nóng)的材帽料結(jié)皆構(gòu)形旦狀和缺受熱國(guó)環(huán)境聰，得介出熱摟力學(xué)群邊界衛(wèi)條件佳；選金擇有截可能騙合成秘的材轉(zhuǎn)料組闖配和沈恰當(dāng)趟的制龍?jiān)旆缴旆?；傷②做根宣?jù)材鏈料的笛物理厚參數(shù)榜及控滔制梯跟度變拖化的販適宜鐘條件膚，進(jìn)與行溫季度分哪布解費(fèi)析和香熱應(yīng)堵力解宣析，風(fēng)探索現(xiàn)比應(yīng)已力達(dá)英最小丟值的謠組成疾分布腥形狀載或材率料組繪配。b.把獲徐得的榴結(jié)果鋸作為賽進(jìn)行滅梯度動(dòng)功能少材料結(jié)的制貧備依辭據(jù)。一般搜先制醋備出旱較小努的試專件；硬然后報(bào)進(jìn)行番擴(kuò)大趕性試?yán)?yàn)。c.將其昂用于溉實(shí)際鎖環(huán)境朵中進(jìn)步行試贊驗(yàn)。3凱功能帥梯度文材料擱的制須備原料體系方法類別方法氣相化學(xué)法化學(xué)氣相沉積法物理法物理氣相沉積濺射法離子注入法液相化學(xué)法電鍍法氧化還原法物理法熔射法熔體凝固法固相法化學(xué)法自蔓延法（熱分解法）涂層法物理法燒結(jié)法部分結(jié)晶法擴(kuò)散法3.屆1歐化學(xué)念氣象到沉積碌法級(jí)（C走VD活）通過(guò)值兩種故氣相斥均質(zhì)男源輸清送到界反應(yīng)繞器中辨進(jìn)行脫均勻關(guān)混合起，在牢熱基捉板上耗發(fā)生昌化學(xué)置反應(yīng)棄并沉摧積在勺基板酒上。辨此法比特點(diǎn)軌是通濱過(guò)調(diào)給節(jié)原鑄料氣愉流量珠和壓祖力來(lái)繳連續(xù)偵控制墳，改港變金改屬—過(guò)陶瓷悲的組血成和監(jiān)結(jié)構(gòu)惑。3.討2氏物理憲氣象界沉積器法（嘉PV嫂D）PV幸D法箏是通塌過(guò)物疏理方法譜如離事子鍍?nèi)?，濺姥射及分子美束外爪延等桃使源潛物質(zhì)蒸發(fā)炮在基光體上紐奉沉積賭成膜的一慣種方特法.這種魂制備灶技術(shù)懼主要用于怪制備艱薄膜她梯度恢材料襪。PV盯D制獻(xiàn)備得殃到的蒸膜是團(tuán)純物污質(zhì)的蟻，一座般和甲CV扣D法一起吼使用3.守3凍自蔓收延燒緒結(jié)法弄（羞SH非S）利用市粉末徑間化蠢學(xué)反食應(yīng)產(chǎn)傳生的敏熱量薄和反勸應(yīng)的賢自傳徑性，涼使材鑒料燒賊結(jié)、叫合成控的方瓶法.此法哀過(guò)程口簡(jiǎn)單愛(ài)，反給應(yīng)迅元速且悟耗能飼少。棋可通俗過(guò)加匯壓來(lái)多提高晌致密摩度。最適哈合于器生成牌熱大億的化緒合物卡的合龜成．好如Al票N、Ti幣C、Ti霧B2等

鋼

管鋁熱劑Al2O3陶瓷Fe層SH沿S-痰離心羅法制勵(lì)備陶姻瓷內(nèi)最襯復(fù)燦合鋼比管3.劇4足等離吉子噴勵(lì)涂法等離晃子體菜噴涂冒能同未時(shí)熔紐奉化難由熔相芬和金劍屬，飯通過(guò)在控制寬兩種粉粉末斥的相矮對(duì)供鋒給速宜率來(lái)繞預(yù)先鑼設(shè)置晝混合后比率掌。使用露粉末誘作為否噴涂鳥(niǎo)材料棍，以傭氦氣錫、氬歇?dú)獾嚷褮怏w獎(jiǎng)為載躺體，潤(rùn)吹入季高溫救等離深子體炭射流串。等黎離子寶體射嫩流把撕能量閥傳遞脹給顆猶粒，示粉末啦被熔獵融后洗進(jìn)一欲步加膀速，繁高速聾沖撞匆在基響材表貫面形制成涂鍬層?；旄咚賱澥诡w匠粒撞礎(chǔ)到固旋體基禾底上煩時(shí)變貌得相占當(dāng)扁著平，大使涂紡層具雕有相蓬對(duì)低借的孔嶼隙率毯。3.炊5猶粉末傳冶金銅法將金是屬、對(duì)陶瓷蹈等粉災(zāi)末按撥一定圈梯度挨分布授直接饞填充痕到模境具中辜加壓槍燒結(jié)賓；也播可將跑不同矛組分湯粉末映壓成熟薄膜/片后攀進(jìn)行駝疊層抓燒結(jié)燒。控制魚(yú)各組叼分混橫合比壁，使忘壓后遼的粉聚坯梯昏度層蠅間任掌一組傍分濃毛度變昂化較繞小，幫梯度折層間紙接合味緊密拋。調(diào)節(jié)撕粉末崖粒度范分布汗和燒耳結(jié)工賴藝，陜可得筑良好會(huì)熱應(yīng)康力緩立和的假梯度霞功能宣材料俊。通過(guò)媽粉末注冶金鉛混合野燒結(jié)紡成的綢FG名M結(jié)彩構(gòu)示辜意圖3.磨6愚激光暮熔覆蜓法把材嚼料A放到焦基底B表面王上，度用激弊光將應(yīng)其與B基體漫中表殃面薄躬層一拘起熔邀化，逢在B表面勻形成B合金陳化的A層。重復(fù)乘操作定，在B表面慘產(chǎn)生B含量秘逐漸優(yōu)減少邪的梯槐度。梯度葉變化汪可通剝過(guò)控鳳制初唯始A層的邀數(shù)量飼、厚拾度及只熔區(qū)衣深度隱來(lái)獲岔得。激光販熔覆壩將材臨料A合金橫化到引材料B制備FG碗M示意太圖方法名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)氣相沉積法氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度可以控制；可制備大尺寸的功能梯度材料。沉積速率慢；成份分布不能連續(xù)控制；不能制備出大厚度的梯度膜,涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)雜。自蔓延燒結(jié)法合成時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單；產(chǎn)品純度高、效率高、能耗少、工藝相對(duì)簡(jiǎn)單；能夠制備大體積的梯度材料。成分不均勻,造成反應(yīng)熱相差較大；需要專用設(shè)備。等離子噴涂法可以調(diào)整粉末的組成、沉積率高、無(wú)需燒結(jié)、不受基體面積大小的限制；涂層的界面結(jié)合強(qiáng)度、抗熱沖擊性和熱疲勞性均明顯改善。梯度涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度不高,并存在涂層組織不均勻、空洞疏松、表面粗糙等缺陷。粉末冶金法易于操作，控制靈活，適于工業(yè)生產(chǎn)，可以制備大尺寸材料，可靠性高、適合于制造形狀比較簡(jiǎn)單的功能梯度材料部件。工藝比較復(fù)雜、制備的梯度材料有一定的孔隙率；不能做到材料成分的連續(xù)過(guò)渡。離心鑄造法能制備高致密度、大尺寸的梯度材料。限于管狀或環(huán)形零件。激光融覆法熔覆速度非常快。需要特殊的設(shè)備。4田功能構(gòu)梯度閑材料付的應(yīng)狹用4.合1熱應(yīng)駐力緩肺和型飛梯度危材料減少松或克澡服高大溫、芒大溫院度落猶差、高速餐熱流壤沖刷牧和動(dòng)獸態(tài)機(jī)站械負(fù)棕荷下激由于繩結(jié)合斑部位介熱、誰(shuí)力學(xué)息性能舒不匹唐配造譽(yù)成的傍材料業(yè)破壞4.跳2柳船舶嫁工業(yè)在艦船希甲板半上可娘采用國(guó)含熱串障的貼、抗飲摩擦及或抗賊沖擊侄的梯埋度功顧能材擊料涂驗(yàn)層，攜或設(shè)筒計(jì)連遞續(xù)增備強(qiáng)纖魄維排圈列的葬逐級(jí)櫻梯度蹄，顯逃著提溝高它挪們的葡缺口對(duì)阻力糖，抑壩制微毒觀裂嚇紋擴(kuò)六張，新大幅軍改善揉甲板棒的抗姥高應(yīng)小變速殊率變開(kāi)形和額沖擊針性能間，對(duì)礙艦船謝的防球護(hù)及槽搭載棟飛行荷器具怪有重棕要意常義。航空跟母艦泉的夾脂板4.碎3憤汽車(chē)妻工業(yè)為對(duì)址柴油史機(jī)或墓汽油旨機(jī)活久塞頭呢進(jìn)行紡熱保肚護(hù)，予需在蕩鋼基翁底上瞞噴涂騙厚度蜜大于2m虎m的Zr陸O2涂層側(cè)。如劑果直倆接在吐金屬洋上覆價(jià)蓋陶木瓷，恰在構(gòu)其件投津入使皇用前得就會(huì)硬導(dǎo)致醉界面撫脫層哈。通過(guò)撫覆蓋關(guān)一些替陶瓷亡含量倒不斷熄增加禽的金艇屬-陶瓷歡復(fù)合逝梯度致涂層舉，可概保證牙涂層跑力學(xué)穿完整側(cè)性，雅保護(hù)距活塞繁。4.蹦4鹿能源吹工業(yè)核反擁應(yīng)堆渡內(nèi)壁職溫度展高達(dá)圍數(shù)千K，其依內(nèi)壁但材料踢采用踏單純怕雙層暴結(jié)構(gòu)發(fā)，熱露傳導(dǎo)躬不好側(cè)，孔昨洞較慢多，欠熱應(yīng)傷力下何有剝泄離傾獸向。采用護(hù)金屬/陶瓷承結(jié)合啊的梯脊度材榜料，耗能消虧除熱塘傳遞差及熱揭膨脹圣引起肆的應(yīng)介力，阿解決華界面導(dǎo)問(wèn)題送，可丸替代蝕目前惡不銹沾鋼/陶瓷字復(fù)合示材料劣。4.醉5建光學(xué)繼器件校工業(yè)梯度前功能拒材料耍推動(dòng)候一個(gè)屠新的逮光學(xué)量分支-梯度曠折射隙率光活學(xué)的幕形成李，在遍光學(xué)政器件串中有港大量竭應(yīng)用手。梯度重折射場(chǎng)率透啞鏡體迫積小疊、焦塊距短竭、消唱像差按性好為，組津成的狐光學(xué)薪系統(tǒng)眨可大消大減俯少非禁球面艱組件扎數(shù)，騰簡(jiǎn)化撒光學(xué)索器件靈結(jié)構(gòu)耽。梯度痰折射脖率光按纖可彎以自悅聚焦啊，提每高耦診合效念率梯度鬧折射俊透鏡棒透清鏡梯度廳多膜糧塑料拖光纖4.良6希生物偉