功能梯度材料的制备及发展趋势综述
功能梯度材料的制备及发展趋势
[摘要]功能梯度材料是一种新型材料,由于其结构和性能的优异特性,已成为材料领域研究的热点。对国内外功能梯度材料的研究进展进行了综述,重点阐述了功能梯度材料的制备、应用及其发展趋势。
[关键词]功能梯度材料; 热喷涂; 应用; 发展趋势
0 前言
功能梯度材料( functional gradient material, FGM) ,即材料的组分和结构从材料的某一方位(一维二维、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材料[ 1～4 ] 。
航天技术的发展对材料的性能提出了新的要求,如航天飞机发动机燃烧室器壁,一侧承受2 000 ℃以上的高温,另一侧承受低温液氢冷却,传统的单相材料已经无法满足要求[ 5 ] ,若采用多种复合材料,由于各相的热膨胀系数的差异,会在材料内部产生较大的热应力,致使涂层在较小冲击力下即可剥落,为满足这种适应较大温差下工作的新材料, 20世纪80年代后期,日本学者新野正之等首先提出功能梯度材料的概念[ 6 ] ,很快引起多个国家宇航领域科技工作者的极大关注[ 7 ] ,功能梯度材料的研究在各国迅速展开,二十多年来,国内外在功能梯度材料的组织结构、性能、制备工艺、设备以及材料的应用等方面都取得了令人瞩目的成果,本文从功能梯度材料的制备、应用方面综述了FGM的研究状况,并展望其前景。
1 功能梯度材料的制备方法
目前已经提出多种制备方法,但总体来看分为两大类:间断梯度层和连续梯度层,前者是指各层间总存在成分间断,后者是利用自然迁移现象来实现成分的连续过渡。
1. 1 气相沉积
气相沉积法分为化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)以及物理化学气相沉积法(PCVD) [ 8, 9 ] 。
CVD法制备FGM是通过赋予原料气体不同的能量,在反应器中进行混合,使其产生化学反应而生成固相的膜沉积在基体上,通过选择合成温度、调节原料气流量
和压力来控制梯度沉积膜的组成与结构,通常采用高频等离子CVD与高频和直流弧并用的放电等离子CVD来制造功能梯度材料。其优点是容易实现分散相浓度的连续变化,缺点是需要高温高压,工件变形严重并存在危险性。日本东北大学采用此法制备了C /C、Si/C、TiC/C系FGM[ 10 ] 。
PVD法制备FGM是通过各种物理方法使固相物质蒸发进而在基体表面成膜,通过改变蒸发源可以合成多层不同的膜。其优点是沉积温度低,对基体热影响小,缺点是沉积速率低,且不能连续控制成分分布。王永康等采用此法已经制备出Ta 2Low/钢梯度涂层材料;加拿大采用此法制备出超合金表面热障涂层MCrAlY的梯度功能材料[ 8 ] ;日本科技厅金属材料研究所采用此法已制备出Ti/TiC、
Ti/TiN、Cr/CrN系FGM[ 11 ] 。此外,从制备表面涂层CVD法发展而来的化学气相渗入法制备FGM也取得了一定的进展。
PCVD是制备FGM的新趋势,结合了PVD和CVD的优点。利用CVD温度一般高于PVD温度的特点,在基体材料低温侧采用PVD,在高温侧采用CVD,扩大了使用范围。目前,采用此法已制备出SiC/C /TiC多层FGM,厚度可达30 mm[ 12 ] ;邢世凯等采用此法在气缸套、活塞、活塞环等零件表面渗镀一层氮化硼、氮化硅陶瓷薄膜,使得零件的磨损量减少,提高了镀膜零部件的使用寿命。
1. 2 等离子喷涂
等离子喷涂法( PS)是将粉末材料送入等离子体(射频放电)中或等离子射流(直流电弧)中,使粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后,在冲击力的作用下,在基底上铺展并凝固形成层片,进而通过层片叠层形成涂层,通过调节等离子流的温度和流速,原料粉末成分和供给条件,从而实现薄膜组成的调节,等离子喷涂常用的气体是Ar和N2。其优点是生产效率高,制备的涂层质量好,喷涂材料范围广,成本低等,但涂层中较多的疏松与孔洞以及片层界面都可能成为导致涂层失效的裂纹源。王富耻等采用此法已制备出ZrO2和NiCrAl体积分数不等的7个梯度层,并研究了功能梯度热障涂层在瞬态热负荷下的破坏机理。K. A. Khor等采用此法已制备出YSZ/NiCoCrAlY梯度材料,并研究了其微观结构、理化性能和热性能。研究结果表明,与双层材料相比,功能梯度材料的性能更优异, FGM 涂层的结合强度为18MPa,双层涂层的结合强度仅为9MPa, FGM涂层的热循环寿命是双层涂层的6 倍。S Rangaraj等设计了5种不同成分的YSZ梯度涂层,并研究了涂层设计对YSZ涂层性能的影响。研究结果表明,莫来石成分的添加会降低涂层表面裂纹生长驱动力。日本新日铁公司采用低压等离子喷涂技术成功制备出了厚度分别为1 mm和4 mm的N i220Cr /ZrO228% Y2O3梯度薄膜。此外, 已被研究的其他体系包括: Cu /W、Cu /B4 C、Al2 O32Cr2 O3 /Ni基合金、CoCrA lY 或NiCo2CrAlY/ZrO2、Mo /TiC、YSZ/Ni 220% Cr、Ni/Al2O3、WC /Co等; F. Chen 等采用此法在18 28钢表面制备了Ni2CrAl/ ( ZrO2 + Y2O3 )涂层 ;张红松等采用此法制备了N i/Al2ZrO2梯度涂层。
1. 3 自蔓延高温合成
自蔓延高温合成法( SHS)是利用两种反应剂在一定条件下发生高放热反应,产生高温,使化学反应自动地进行下去,形成新的化合物。其优点是过程简单,反应迅速,适用范围广,产物纯度高,能耗少,缺点是由于不同组分之间发热量有差异、烧结程度不同且较难控制,常压下材料的致密度不高,并且受工件(基体)形状的限制。目前, 采用此法已制备出Al/TiB2、Cu /TiB2、Ni/TiC、MoSi2 /Al2 O3 /Ni/Al2 O3 /MoSiS2等梯度材料。
1. 4 粉末冶金
粉末冶金法( PM)是制备FGM最常用、最简单的方法,一般是先成形后烧结,通过控制和调节原料粉末的粒度分布、烧结温度、烧结时间和烧结收缩的均匀性获得热应力缓和的FGM。其优点是设备简单、易于操作、成本低,缺点是难以实现物料层组分的连续变化,不能完全消除料层间界面[ 8 ] 。PM法可分为喷射沉积法、薄膜叠层法、粉浆浇注法和浸渍法等。
喷射沉积可以直接得到金属与陶瓷粉末相组成具有最佳梯度分布的预成形坯,然后经压制、烧结制得FGM,解决了层与层间易产生成分非连续变化的问题。
此外,将不同配比的金属粉、陶瓷粉和粘结剂制成悬浮液,然后喷射到基底上,通过改变原粉料成分配比来控制喷射相的成分,最终也可以获得梯度材料。
薄膜叠层法是在金属和陶瓷粉末中掺微量粘结剂,制成泥浆并脱出气泡压成薄膜,然后将这些不同成分和结构的薄膜脱除粘结剂后进行叠层、烧结。其优点是每层可以做得很薄,成分变化相对较小。国内采用此法已制备出PSZ/Mo等体系的梯度材料,M. Gruji2cic等采用此法已经制备出MgO /Ni系的梯度材料。
粉浆浇注法是将原料粉末均匀混合成浆料,注入模型内干燥,通过连续控制粉浆配比,得到成分连续变化的工件。韩国汉阳大学采用此法已制备出Y2 O32ZrO2 /304不锈钢系的梯度材料; Sanchez2Herencia等采用该法已经制备出Al2O3
/ZrO2系的梯度材料;日本九州大学采用此法已经制备出Al2O3 /Ni/Cr系的FGM。
浸渍法是将原料粉末配制成悬浮液,浸渍在基体上,调整悬浮液成分,可改变涂层成分,然后经过脱脂、烧结,得到FGM。A. Neubrand等采用该法已经制备出SiC /C系的梯度材料。
1. 5 激光熔覆
激光熔覆法(LSC)是将混合后的粉末通过喷嘴喷至基体表面,然后通过改变激光功率、光斑尺寸和扫描速度加热粉体,在基体表面形成熔池,并在此基础上通过改变粉末成分,向熔池中不断喷粉,获得功能梯度涂层。其优点是既可以制备FGM 薄膜,也可以制备FGM体材,制备时间短,适应面较广,缺点是制备工艺及设备都比较复杂昂贵。Fraunhofer采用此法已经制备出
AlCu /316L不锈钢系的梯度涂层,有人采用此法制备了Ti/Al/TiB2 ,在涂层内
Al的质量分数由12%左右连续地变为零。
1. 6 其他方法
电化学法(ECM)是根据电解质溶液的特性和物质发生电化学反应的难易程度不同,利用电解作用和化学反应使溶液中不同的离子同时还原,并沉积在基体表面形成镀层,随着加工过程中电流密度和电解质浓度的变化,镀层的成分和结构会发生相应的变化。其优点是绕镀性好,可镀复杂形状工件,缺点是材料的孔隙率较高、强度低。
离心铸造法是利用离心力场中合金密度差异引起的表面沉积特性来制备梯度功能材料[ 26 ] 。其优点是能制备致密度高、尺寸大的梯度材料,缺点是不能制备高熔点的陶瓷系梯度材料,也不能制备从一种纯物质相向另一种纯物质相连续变化的梯度材料。王渠东等利用初生相FeAl3与液相之间的密度差及其两相区温度间隔很大、液相线很陡的特点,采用离心铸造制备了初生FeAl3偏聚于管件外层并由外向内FeAl3量呈梯度分布的铝铁复合管件[ 8 ] ;哈尔滨工业大学采用此法已经成功制备出Al/Al2O3、SiC /A356梯度材料。
2 功能梯度材料的发展前景
功能梯度材料的研究包括材料设计、材料合成和材料性能评价三个方面,材料合成是功能梯度材料研究的核心,材料设计是为材料合成提供最佳的组成和结构梯度分布,材料性能评价是建立准确评价功能梯度材料性能的一套标准化试验方法,三者紧密相关,相辅相成。解决材料设计、材料合成和材料性能评价仍然是功能梯度材料发展中不容忽视的任务,而且要经济,使功能梯度材料得到广泛应用成为现实,特别是在航空航天、核反应、电子、电磁、化学、生物医学诸多领域得到广泛应用。与此同时,在功能梯度材料的研究与应用中引入计算机模拟设计与试验结合的纳米技术和智能材料研究,深入研究各种应用中的失效机理,以进一步提高FGM的抗热震性能,也将成为功能梯度材料的研究重点。
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新材料技术发展的方向
展望新材料的未来 新材料技术的发展不仅促进了信息技术和生物技术的革命，而且对制造业、物资供应以及个人生活方式产生重大的影响。记者日前采访了中国科学院“高科技发展报告”课题组的有关专家，请他们介绍了当前世界上新材料技术的研究进展情况及发展趋势。材料技术的进步使得“芯片上的实验室”成为可能，大大促进了现代生物技术的发展。新材料技术的发展赋予材料科学新的内涵和广阔的发展空间。目前，新材料技术正朝着研制生产更小、更智能、多功能、环保型以及可定制的产品、元件等方向发展纳米材料20世纪90年代，全球逐步掀起了纳米材料研究热潮。由于纳米技术从根本上改变了材料和器件的制造方法，使得纳米材料在磁、光、电敏感性方面呈现出常规材料不具备的许多特性，在许多领域有着广阔的应用前景。专家预测，纳米材料的研究开发将是一次技术革命，进而将引起21世纪又一次产业革命。日本三井物产公司曾在去年末宣布该公司将批量生产碳纳米管，从2002年4月开始建立年产量120吨的生产设备，9月份投入试生产，这是世界上首次批量生产低价纳米产品。美国ibm公司的科研人员，在2001年4月，用碳纳米管制造出了第一批晶体管，这一利用电子的波性，而不是常规导线实现传递住处的技术突破，有可能导致更快更小的产品出现，并可能使现有的硅芯片技术逐渐被淘汰。在碳纳米管研究方兴未艾的同时，纳米事业的新秀－－“纳米带”又问世了。在美国佐治亚理工学院工作的三位中国科学家2001年初利用高温气体固相法，在世界上首次合成了半导体化物纳米带状
结构。这是继发现多壁碳纳米管和合成单壁纳米管以来，一维纳米材料合成领域的又一大突破。这种纳米带的横截面是一个窄矩形结构，带宽为30～300mm，厚度为5～10nm，而长度可达几毫米，是迄今为止合成的惟一具有结构可控且无缺陷的宽带半导体准一维带状结构。目前已经成功合成了氧化锡、氧化铟、氧化隔等材料纳米带。由于半导体氧化物纳米带克服了碳纳米管的不稳定性和内部缺陷问题，具有比碳纳米管更独特和优越的结构及物理性能，因而能够更早地投入工业生产和商业开发。 超导材料超导材料在电动机、变压器和磁悬浮列车等领域有着巨大的市场，如用超导材料制造电机可增大极限输出量20倍，减轻重量90％。超导材料的研制，关键在于提高材料的临界温度，若此问题得到解决，则会使许多领域产生重大变化。去年，科学家在超导材料上有不少新收获，相继发现了临界温度更训的新型超导材料，使人类朝着开发室温超导材料迈出了一大步。在日本，有人发现二硼化镁可在－234℃成为超导体，这是迄今为止发现临界温度最高的金属化合物超导体。由于二硼化镁的发现，使世界凝聚态物理学界为之振奋。由于二硼化镁超导体易合成、易加工，很容易制成薄膜或线材，因而应用前景看好。 美国科学家在研制更具实用性超导材料方面取得了明显的进展，并开始进入实用阶段。美国底物律的福瑞斯比电站在地下铺设了360多米的超导电缆，电缆中123kg重的导线是由含铋、锶、钙、铜的氧化物超导瓷制造的。这是世界上首次实用的超导输电线路。我国在高
新材料行业发展趋势
新材料行业发展趋势 与传统材料相比，新材料产业具有技术高度密集，研究与开发投入高，产品的附加值高，生产与市场的国际性强，以及应用范围广，发展前景好等特点，其研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济，社会发展，科技进步和国防实力的重要标志，世界各国特别是发达国家都十分重视新材料产业的发展。下面是有关于新材料行业发展趋势的分析，一起来看看。 中国新材料产业发展前景分析新材料作为二十一世纪三大关键技术之一，是高新技术发展的基础和先导，已成为全球经济迅猛增长的源动力。 随着科学技术发展，人们在传统材料的基础上，根据现代科技的研究成果，开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料(如陶瓷、砷化镓半导体等)、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求;功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应，以实现某种功能，如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等。新材料在国防建设上作用重大。例如，超纯硅、砷化镓研制成功，导致大规模和超大规模集成电路的诞生，使计
算机运算速度从每秒几十万次提高到每秒百亿次以上;航空发动机材料的工作温度每提高100℃，推力可增大24%;隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射，使敌方探测系统难以发现等等。 在新材料产业中分布情况 21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究，是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。 信息材料是最活跃的新材料领域，微电子材料在未来10~15年仍是最基本的信息材料，集成电路及半导体材料将以硅材料为主体，化合物半导体材料及新一代高温半导体材料共同发展。光电子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料，主要集中在激光材料、高亮度发光二极管材料、红外探测器材料、液晶显示材料、光纤材料等领域。 XX年，在“国家半导体照明工程”计划的推动下，我国半导体照明产业发展加速，关键技术取得突破，蓝光功率型LED芯片发光效率达到90mW，处于国际先进水平;封装的功率型白光LED发光效率超过30lm/W，达到国际先进水平。建立了上海、大连、厦门、南昌4个国家半导体照明产业化基地，民营资本投资近37亿元人民币，我国LED产业迎来了快速发展的时期。 XX年我国推出了激光电视样机，技术水平达到国际先进。
功能梯度材料的制备及发展趋势综述
功能梯度材料的制备及发展趋势 [摘要]功能梯度材料是一种新型材料,由于其结构和性能的优异特性,已成为材料领域研究的热点。对国内外功能梯度材料的研究进展进行了综述,重点阐述了功能梯度材料的制备、应用及其发展趋势。 [关键词]功能梯度材料; 热喷涂; 应用; 发展趋势 0 前言 功能梯度材料( functional gradient material, FGM) ,即材料的组分和结构从材料的某一方位(一维二维、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材料[ 1～4 ] 。 航天技术的发展对材料的性能提出了新的要求,如航天飞机发动机燃烧室器壁,一侧承受2 000 ℃以上的高温,另一侧承受低温液氢冷却,传统的单相材料已经无法满足要求[ 5 ] ,若采用多种复合材料,由于各相的热膨胀系数的差异,会在材料内部产生较大的热应力,致使涂层在较小冲击力下即可剥落,为满足这种适应较大温差下工作的新材料, 20世纪80年代后期,日本学者新野正之等首先提出功能梯度材料的概念[ 6 ] ,很快引起多个国家宇航领域科技工作者的极大关注[ 7 ] ,功能梯度材料的研究在各国迅速展开,二十多年来,国内外在功能梯度材料的组织结构、性能、制备工艺、设备以及材料的应用等方面都取得了令人瞩目的成果,本文从功能梯度材料的制备、应用方面综述了FGM的研究状况,并展望其前景。 1 功能梯度材料的制备方法 目前已经提出多种制备方法,但总体来看分为两大类:间断梯度层和连续梯度层,前者是指各层间总存在成分间断,后者是利用自然迁移现象来实现成分的连续过渡。 1. 1 气相沉积 气相沉积法分为化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)以及物理化学气相沉积法(PCVD) [ 8, 9 ] 。 CVD法制备FGM是通过赋予原料气体不同的能量,在反应器中进行混合,使其产生化学反应而生成固相的膜沉积在基体上,通过选择合成温度、调节原料气流量
功能材料发展趋势
材料】功能材料发展趋势 功能材料发展趋势 功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。功能材料按使用性能分，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏（智能）材料。由于我们已把电子信息材料单独作为一类新材料领域，所以这里所指的新型功能材料是除电子信息材料以外的主要功能材料。 功能材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。随着信息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。 鉴于功能材料的重要地位，世界各国均十分重视功能材料技术的研究。1989年美国200多位科学家撰写了《90年代的材料科学与材料工程》报告，建议政府支持的6类材料中有5类属于功能材料。从1995年至2001年每两年更新一次的《美国国家关键技术》报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的比例。2001年日本文部省科学技术政策研究所发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半以上的课题为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均为功能材料。欧盟的第六框架计划和韩国的国家计划等在他们的最新科技发展计划中,都把功能材料技术列为关键技术之一加以重点支持。各国都非常强调功能材料对发展本国国民经济、保卫国家安全、增进人民健康和提高人民生活质量等方面的突出作用。 1、新型功能材料国外发展现状 当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等
梯度功能材料的制备与应用及其发展状况.
—— 学科前沿知识讲座论文 学科前沿知识讲座论文—— 梯度功能材料的制备与应用 及其发展状况 姓名:李振 学号:08132213 班级:材料物理08-2 日期:2011年10月22日 梯度功能材料的制备与应用及其发展状况 李振 (中国石油大学(华东理学院材料物理08-2,青岛,266555 摘要:近年来,梯度功能材料(Functionally Gradient Materials,FGM由于其优异的性能和特殊的功能,得到了迅速发展,展现出极大的应用价值。FGM的制备方法主要有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、气相沉积法、自蔓延高温燃烧法等。FGM在航空航天、机械工程、电磁工程、生物工程、核能和电气工程等领域都有广泛的应用。文章综述了FGM的制备方法、在各领域的应用以及发展现状,对未来的发展做了一些展望。
关键词:梯度功能材料;制备方法;应用;发展前景 1前言 一般复合材料中分散相是均匀分布的,材料的整体性能是同一的,但在有些情况下,人们常常希望同一件材料的两侧具有不同的性质或功能,又希望不同性能的两侧结合完美,从而不至于在苛刻的使用条件下因性能不匹配而发生破坏[1]。梯度功能材料(Functionally Gradient Materials,简称FGM就是这样一种材料,是指通过连续(或准连续地改变两种材料的结构、组成、密度等因素,使其内部界面减少乃至消失,从而得到能相应于组成与结构的变化而性能渐变的新型非均质复合材料[2-3]。目前,梯度功能材料的主要制备方法有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、气相沉积法、自蔓延高温燃烧合成法等[4]。在航空航天工程、机械工程、电磁工程、生物工程、核能及电气工程等领域都有广泛的应用。本文综述了梯度功能材料的不同制备方法及各自特点、应用及研究现状,并对其发展前景进行了讨论。 2梯度功能材料制备方法 2.1粉末冶金法(PM PM法是将10μm~100μm粒径的粉末(金属、陶瓷充分混合,按组分梯度分层填充或连续成分控制填充,压实后烧结制 备FGM[5]。PM法具有设备简单、易于操作、成本低等优点,但需要对烧结温度、保温时间和冷却速度等工艺进行严格控制。2.2等离子喷涂法 等离子喷涂法是将原料粉末送至等离子射流中,以熔融状态 状态直接喷射到基材上形成涂层[4]。该方法使用粉末作喷涂材 料,以气体作载体将粉末吹入等离子射流中,依靠等离子弧将粉末熔化,熔融的粒子被进一步加速,然后以极高的速度打在经过净化和粗化处理的基材表面,产生强烈的塑性变形,相互挤嵌、填塞,形成扁平的层状结构涂层。
新材料技术的发展趋势
1 新材料技术的发展趋势和特点 纵观国际新材料研究发展的现状，西方主要工业发达国家正集中人力、物力，寻求突破，美国、欧共体、日本和韩国等在他们的最新国家科技计划中，都把新材料及其制备技术列为国家关键技术之一加以重点支持，非常强调新材料对发展国民经济、保卫国家安全、增进人民健康和提高人民生活质量等方面的突出作用。 我国对新材料及其制备技术历来非常重视，一直作为一个重要的领域被列入我国自1956年以来的历次国家科技发展规划之中。在我国863高技术中，新技术材料又是七大重点领域之一。经过40余年的努力，已在许多方面取得显著进展，一大批新材料已成功地应用于国防和民用工业领域，有些新材料的研究居国际领先水平，为我国新材料及其制备技术在21世纪初的持续发展奠定了较好的基础。 新材料及其制备技术的研究将对世界经济发展产生重大影响，其发展趋主要体现在： （1）功能材料向多功能化、集成化、小型化和智能化方向发展； （2）结构材料向高性能化、复合化、功能化和低成本化方向发展； （3）薄膜和低维材料研帛发展迅速，生物医用材料异军突起；（4）新材料制品的精加工技术和近净形成形技术受到高度重视； （5）材料及其制品与生态环境的协调性倍受重视，以满足社会可持续发展的要求； （6）材料的制备及评价表征技术日受重视，材料制备与评价表征新技术、新装备不断涌现； （7）材料在不同层次（微观、介观和宏观）上的设计发展迅速，已成为发展新材料的重要基础。 材料是人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器及其它产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。所谓新材料，指的是那些新出现或正在发展中的具有传统材料所具备的优异性能的材料。从人类科技发展史中可以看到，近代世界已经历了两次工业革命都是以新材料的发现和应用为先导的。钢铁工业的发展，为18世纪以蒸汽机的发明和应用为代表的第一次世界革命奠定了物质基础。本世纪中叶以来，以电子技术，特别是微电子技术的发明和应用为代表的第二次世界革命，硅单晶材料则起着先导和核心作用，加之随后的激光材料和光导纤维的问世，使人类社会进入了“信息时代”，因此，可以预料，谁掌握了新材料，谁就掌握了21世纪高新技术竞争的主动权！ 综上所述，当今新材料及其制备技术的发展趋势具有以下几个特点： （1）新材料技术是现代工业和高技术发展中的共性关键技术，材料科学技术已成为当代和下世纪初最重要的、发展最快的科学技术之一。信息、能源、农业和先进制造等技术领域的发展都离不开新材料及其制备技术的发展； （2）综合利用现代先进科学技术成就，多学科交*，知识密集，导臻新材料及其制备技术的投资强度大、更新换代快，经济效益和社会效益巨大； （3）新材料的制备和质量的提高更加依赖于新技术、新工艺的发展和精确的检测控制技术的应用。对制备技术的重视与投入直线上升，极大地加速了基础材料的发展和传统产业的改造。
功能梯度材料分层法研究
功能梯度材料分层法研究 摘要 功能梯度材料具有随空间位置呈梯度变化的材料属性，这一性能引起了材料科学家和工程师研究的兴趣。基于分层法，将功能梯度材料平面结构划分成若干层，每层的材料参数按函数形式变化。在此分层模型基础上得到同一层的材料参数为常数，然后各层按照常规的有限元方法进行网格划分，建立有限元模型进行功能梯度材料平面结构的力学分析。通过设计组分材料弹性模量的三种工况，讨论了弹性模量梯度系数对有限元计算结果的影响，有一定的误差。 于是引入线性分层法，该模型基于任意一条连续曲线可用一系列的分片连续直线段来逼近的事实，将梯度材料层分成若干子层，在各子层界面处材料参数连续并且等于实际值。将此模型应用于实际问题推导，我们发现与指数模型结果吻合的很好。 关键词：功能梯度材料；分层法；梯度系数；线性分层法 1 FGM研究背景 FGM概念是在1984年前后，由在日本仙台地区的二位材料科学家，日本航天技术研究所的新野正之博士、东北大学的平井敏雄教授和渡边龙三教授首先提出的。当初提出FGM概念的目的是为了解决在设计制造新一代航天飞机的热保护系统中出现的许多问题。据估计，航天飞机工作时，机体外部有些部位最高温度将达1800℃，因此对航天飞机表面的材料要求是要能耐高达1800℃的温度和1600℃的温度落差。已知的工业材料没有能忍受如此苛刻的热机负载的，能用于这种环境条件的材料必须具备以下三个特征:材料的高温表面层能耐热和抗氧化,低温侧具有力学韧性及整个材料中能有效地缓和热应力。面对这种材料要求,FGM这一新概念被提了出来。 这种新材料的高温侧是能耐热的陶瓷,低温侧是具有高热导率的韧性金属,并具有从陶瓷到金属的梯度成分变化。这种FGM的特征其热膨胀系数可以通过控制两个表面之间的成分、微结构、微孔的比率来加以调节。FGM概念一提出就受到日本和世界材料界的高度重视。日本科技厅授予此概念的发明者特别奖。FGM也被列入各种国际国内会议的报告范围。 1.1 FGM定义及原理
梯度功能材料讲稿
梯度功能材料 一、引言 许多结构件会遇到各种服役条件，因此，要求材料的性能应随构件中的位置而不同。例如，民用或军用刀具都只需其刃部坚硬，其它部位需要具有高强度和韧性；一个齿轮轮体必须有好的韧性，而其表面则必须坚硬和耐磨；涡轮叶片的主体必须高强度、高韧性和抗蠕变，而它的外表面必须耐热和抗氧化。诸如此类，可以发现现在应用的许多材料都是属于这个范畴。众所周知，构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集中，无论该应力是内部的还是外加的。但人们同样知道，如果从一种材料过渡到另一种材料是逐步进行的，这些应力集中就会大大地降低。为了减少材料的应力集中，提高材料的性能，人们发展了一种新型的功能梯度材料(Functionaily Gradient Materials，简称FGM)。虽然FGM 产生的时间不长，但很快引起世界各国科学家的极大兴趣和关注。日本、美国、德国、俄罗斯、英国、法国、瑞士等许多国家相继开展FGM的研究。其应用已扩展到宇航．核能源、电工材料、光学工程、化学工业、生物医学工程等各个领域中。 二、梯度功能材料的发展 梯度功能材料(FGM)是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚合物等)一体的新型材料，其结构、物性参数和物理、化学、生物等单一或综合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能。 梯度功能材料其实早就出现在自然界中。神奇的大自然早制造出多种梯度材料。例如，竹子是一种典型的梯度功能材料，人类和动物身体中的骨骼也是一种梯度材料，其特点是结构中的最强单元承受最高的应力。但是，在生命体中的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大的差异。有生命的“FGMs”也是“有智能的”，它们能够感受所处环境的变化(包括局部的应力集中)，产生相应的结构修改，而人造梯度材料至少在目前还缺乏这种功能。 人造梯度功能材料并不是新的事物，只不过人们没有意识到而已。人类制造的钢制器件实质就是一种功能梯度材料。1900年，美国的伍德用明胶作成了光折射率沿径向连续变化的圆柱棒，称之为梯度折射材料。由于制作工艺没有解决，未能得到实际应用，没有引起人们的注意。1969年，日本板玻璃公司的北野等人用离子交换工艺制成玻璃梯度折射棒材和光纤，达到了实用水平，梯度折射率材料的研究才迅速发展起来，研究的国家也从美国和日本扩展到二十几个国家。 1972年，Bever和Duwez提出了功能梯度这个概念。功能梯度材料作为一个规范化正式概念于1984由日本国力宇航实验室提出。由于航天飞机中，燃烧室内外表面的温差达到1000K以上，普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。一系列政府报告论述了日本在以太空飞机为重点的航天研究中所预计的材料需求，结论是鉴于对高温结构件的许多严格要求，需要在结构中仔细地引入成分和微观结构梯度，不但能最全面地利用已有材料去生产所需要的构件，还能避免由于外加应力或温度变化而在不同材料的锐利界面上引起的应力和(或)应变集中。1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出使金属和陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连续性变化的热防护梯度功能材料的概念。同年，日本科技厅制定了有关FGMs的一项庞大计划，主要研究一边处于冷却而另一边处于炙热环境下的部件的特殊要求。1990
梯度功能材料
题目：梯度功能材料 报告人: 朱景川教授 时间：2006年5月13日 8：30-11：30 近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展。究其原因,一方面是因为各个学科的交叉渗透,引入了新理论方法及实验技术;另一方面是因为实际应用的迫切需要而对材料提出了新的要求。功能梯度材料(functionally gradient material ,FGM) 即是这方面一个很好的事例。它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。下面综述了这方面的研究现状,同时对其将来可能的发展趋势进行了讨论。 梯度功能材料是一种新型的功能复合材料它的两侧由不同性能的材料组成中间部分的组成和结构连续地呈梯度变化从而使材料的性质和功能也沿厚度方向呈梯度变化克服了不同材料结合的性能不匹配因素使两种材料的优势都得到充分发挥。 1 功能梯度材料的设计 复合材料已在工程中得到广泛应用,然而传统的复合材料,由于由两种或以上的不同均匀材料结合在一起而存在明显的界面,因此材料的物性参数如弹性模量、热膨胀系数在该处不匹配,从而使得界面容易成为失效的源泉,界面设计也就成为复合材料设计的重要课题。另一方面随着现代科学技术的进步,超音速航天飞机、超音速民用交通、现代航天飞行器以及下一代电力系统装置都对材料的设计与应用提出了新的要求。例如航天飞机的发展就面临许多技术问题,特别在先进隔热材料方面,通常使用的陶瓷复合材料弥散强化陶瓷,已经无法承受由于航天飞行环境中极端的温度梯度引起的高热应力。 FGM 的设计一般采用逆设计系统即根据使用条件和性能要求对材料的组成和结构的梯度分布进行设计。以热应力缓和型耐热材料为例根据指定的材料结构、形状及受热环境得出热力学边界条件从已有材料合成及性能的知识库中选择有可能合成的材料组合体系及制备方法再用热弹性理论及计算数学方法对选定材料体系组成的梯度分布函数进行温度分布模拟和热应力模拟寻求达到最大功能的组成分布指数。 为了解决这类问题,日本材料学家新野正之(MasyuhiNINO) 、平井敏雄( ToshioHIRA)和渡边龙三(RyuzoWATANBE)等在20世纪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开发最早始于1987年日本科学技术厅的一项“关于开发缓和热应力的功能梯度材料的基础技术研究”计划。所谓功能梯度材料是根据使用要求,选择使用两种不同性能的材料,采用先进的材料复合技术,使中间的组成和结构连续呈梯度变化,内部不存在明显的界面,从而使材料的性质和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。也就是材料组分在一定的空间方向上连续变化的一种复合材料。由于功能梯度材料的这种特点,因此它能有效地克服传统复合材料的不足。
甲基丙烯酸HA+DTT光交联制备梯度材料
Spatially controlled hydrogel mechanics to modulate stem cell interactions Ross A.Marklein and Jason A.Burdick * Received 17th August 2009,Accepted 29th September 2009 First published as an Advance Article on the web 27th October 2009DOI:10.1039/b916933d Local control of the stem cell microenvironment with biomaterial design is of critical importance for tissue engineering.Matrix mechanics is one aspect of biomaterial design that has received considerable attention recently due to the effect of mechanics on stem cell proliferation,morphology,and differentiation.In order to investigate the effect of locally controlled mechanics on human mesenchymal stem cells (hMSCs),a sequentially crosslinked hyaluronic acid hydrogel system was developed that permits spatial patterning of mechanics (distinct patterns and gradients).Methacrylated hyaluronic acid was synthesized to allow for crosslinking via both Michael-type addition using a dithiol and radical polymerization using light.By varying the initial methacrylate consumption through addition crosslinking,restricting UV light to speci?ed regions,and varying UV exposure time,a wide range of mechanics (from $3kPa to $100kPa)was possible in both uniform and patterned hydrogels.hMSCs exhibited increased spreading and proliferation on stiffer gels compared to cells cultured on softer gels.Furthermore,cells grown on gels with patterned mechanics exhibited spreading and proliferation behavior that correlated with the local mechanics.This method to spatially control matrix mechanics represents a novel hydrogel system to tune the stem cell microenvironment. Introduction The ability of stem cells to interact with and respond to their environment is being increasingly investigated both in native tissues and in synthetic systems.1For example,it is now clear that cells respond to the mechanical properties of their surroundings,which was originally investigated in somatic cells such as ?bro-blasts and endothelial cells 2,3and more recently in stem cells,including the effects of mechanics in specifying lineage commitment.4Native tissues can vary in stiffness (e.g.,0.1–1kPa in brain tissue,$10kPa in relaxed muscle,and >30kPa for pre-mineralized bone 5)and stem cells differentiate down tissue speci?c lineages based on these properties.6,7Thus,a clear understanding of this behavior may be useful in the design of materials for applications in tissue engineering or for better understanding of cellular behavior in disease states.For instance,stem cells in ?brotic myocardium after injury,where mechanics are greater than in healthy tissue,may differentiate and miner-alize their surrounding matrix.8 Tissue engineering strategies have begun to incorporate matrix mechanics as a means to control stem cell behavior,including morphology,proliferation,and extracellular matrix (ECM)secretion.9Coupled with other differentiation cues such as growth factors or adhesive ligands,an engineered biomimetic approach to tissue repair and regeneration may be possible by controlling the inherent mechanical properties of the engineered scaffold.However,one limitation of current biomaterial systems used in these investigations is the inability to spatially control the network properties of the scaffold.Due to the heterogeneous nature of tissues,it is necessary to design scaffolds that re?ect these differences in spatial and temporal matrix properties in order to facilitate proper cell behavior and tissue integration.Spatial differences in local mechanics are also relevant in certain pathologies 10,11and wound healing processes,8,12and therefore the characterization and understanding of cell responses to these complex microenvironments are critical for better understanding of fundamental stem cell behavior and developing an effective tissue engineering strategy. Only a few examples exist where hydrogel properties are controlled spatially.Much of this is dependent on the use of light,due to the precise control that light affords.Photopolymerization with UV light is a commonly employed technique that involves radical polymerization using methacrylate or acrylate function-alized polymers.13By restricting this light to certain regions,complex patterns of exposed and non-exposed regions can be imparted in hydrogels to spatially control cell behavior.14–16Beyond patterning,gradients are useful in many applications and are found in many tissues and can direct cellular migration.17Hydrogel gradients can be formed using speci?c mixing devices 18or micro?uidic chambers,19,20but these techniques rely on the use of complex systems or only permit gradients of a certain magnitude.Thus,a need exists for a hydrogel system that can be manipulated in space with respect to mechanical properties.Hyaluronic acid (HA)is a polysaccharide that is present in native tissue and is also intimately involved in processes such as wound healing,cell motility,embryogenesis,and in?amma-tion.21,22HA possesses properties desirable for tunable scaffolds as a wide range of molecular weights can be obtained,as well as the presence of chemically modi?able groups (hydroxyl and carboxyl groups)on the backbone.Functionalized HA with reactive groups such as methacrylates and acrylates has been utilized to form HA-based hydrogels for controlling stem cell differentiation.21–26These systems allow for uniform gel proper-ties and effective cell encapsulation,but do not allow for local Department of Bioengineering,University of Pennsylvania,240Skirkanich Hall,210South 33rd Street,Philadelphia,PA,19104,USA.E-mail:burdick2@https://www.360docs.net/doc/c8991587.html, PAPER https://www.360docs.net/doc/c8991587.html,/softmatter |Soft Matter D o w n l o a d e d b y S u n Y a t -S e n (Z h o n g s h a n ) U n i v e r s i t y o n 12 J u l y 2011P u b l i s h e d o n 27 O c t o b e r 2009 o n h t t p ://p u b s .r s c .o r g | d o i :10.1039/B 916933D
当前新材料的发展方向
当前新材料的发展方向： 1. -------------------------------------------------- 高性能化、高功能化、高智能化 随着人类对材料的性能与微观结构的研究与认识，决定材料性能的本质己被或正在被人们揭示和掌握，并通过新工艺、新技术、新设备，在日益成熟的现代材料设计理论的指导 下，创造出各种性能更好的新型材料。 结构材料在向强度、刚度、韧性、耐高温、耐腐蚀、高弹、高阻尼龙大幅度提高的方向发展。高性能结构材料不断出现和广泛应用，促进新产品向体积小、重量轻、资源省、能耗低、成本低、和利润高的方向发展。 功能材料也在由单一功能向多种功能开发方向发展，并把功能材料与元器件结合起来，实现一体化，即材料本身就具有元器件的功能，这样就促进了元器件的小型化和多功能化。 智能材料是近年来与信息科学紧密结合而产生的，它同时具有感知和激励双重功能。如形状记忆合金，压电陶瓷，光导纤维，磁致伸缩材料等。智能材料是一种超功能材料，这些功能往往能够解决传统材料难以解决的技术难题。在重要工程和尖端技术领域具有重大的应 用前景。例如，美国空军采用智能材料制造飞机机翼，可随工作状态的不同自动调节形状，改变升力和阻力，以适应飞机的起降，使飞机更加安全，降低油耗。将微型分子传感器植入 材料和分子结构中，用这些建造的构件和建筑物可进行自动监控，如果超负荷或者老化可发 出警报。 2.复合化一一 满足当代高技术中综合性能的要求。因此，现代材料科学正朝着复合材料方向发展。把不同种类和不同性能的材料通过一定的途径和技术复合为一体，扬长避短，取长补短，可获得比 单一材料性能更好或具有某种特殊性能的复合体材料。例如，由碳纤维增强的陶瓷基复合材料，其抗冲击强度比普通陶瓷高40倍，能经受数千度高温，已成为航空工业的重要结构材料。材料的复合化是改进和提高材料性能的一条很好的途径，是当前新材料研究的重要发展方向。 3.环境化一一 在工业化不断给我们的生活带来方便的同时，也给我们的生存环境也带来了巨大的挑战。一些列的环境问题不断出现，例如：温室效应，类燃机能量利用率低下，酸雨等等。
功能梯度材料
用于新一代航天飞机的热防护系统,即在与高温气体接触侧采用陶瓷耐高温材料,在液氢冷却侧采用金属材料保证其力学强度和热传导性，继日本之后,美国、德国、俄罗斯、瑞士等国家也纷纷关注并开始了这一新兴的研究领域。 梯度材料成形方法及性能优势 梯度材料复合成型分析（参考）
Ti64和NiCr梯度材料能谱分析照片 (源于DOI：10.1016/j.addma.2014.10.002) SS304L和In625梯度材料成型组织金相分析照片
（源于DOI：10.1016/j.actamat.2016.02.019)激光3D打印技术的一个重要发展方向就是制备功能梯度材料,激光3D打印制备梯度材料适应面较广，既可以制备 FGM 涂层也可以制 备 FGM 体材，而且其生产周期短、加工速度快、设计灵活、材料利用率高，其成形件尺寸精度高、组织致密、晶粒细化、具有优良的使用性能。利用LDM4030同轴送粉系统，通过调整粉末的输送量和输送比例使两种或两种以上材料含量实现层与层之间连续变化，成分设计更加灵活，过渡更加均匀，能制备出成分比例连续变化的梯度功能材料。 LDM4030助力梯度材料开发 新款LDM4030同轴送粉设备，是基于高校和科研院所等研究型单位的需求特点，针对新材料开发过程中材料种类繁多、材料间切换频繁等问题，在保证基本功能前提下，对设备进行了进一步的优化升级。
LDM4030同轴送粉3D打印机外观 LDM4030同轴送粉3D打印机设备参数
双筒双控式（左）和三桶三控式（右）
可实现加工设备（激光器）控制主机的集成控制； 送粉器连续稳定，送粉量和载粉气流量精确可控； 多个料仓可单独送粉，也可同时送粉； 有机玻璃可视粉桶； 触摸屏和PLC控制，性能稳定、安全可靠。 双桶、三桶送粉器参数 利用LDM4030实验平台，开展了对In718(镍基合金) + Fe313（铁基）、In718(镍基合金）和316L（不锈钢）等梯度材料的成形工艺及组织进行了相关的研究分析，在梯度材料研究方面做了一定的技术探索。
航空梯度材料制备工艺的优化设计
航空梯度材料制备工艺的优化设计3 何金徕,孙 秦 (西北工业大学航空学院,西安710072) 摘要 采用薄片叠层法制备了SUS304/ZrO 2梯度材料,对不同成分梯度层的收缩率和临界降温速率进行了工艺优化。结果表明,控制添加剂的加入量使各梯度层的线收缩率一致,用第三冲击因子估算的临界平均降温速率为1.73℃/min ,可以避免缺陷的产生。1350℃真空烧结制得的梯度材料外观平整,成分呈梯度变化,界面结合良好,层间结合强度达187.3MPa ,可以满足航空技术对梯度材料的要求。 关键词 航空梯度材料 薄片叠层法 收缩率 降温速率中图分类号:V256;TB333 Optimum Design of F abrication for Aeronautical G raded Materials H E Jinlai ,SUN Qin (School of Aeronautics ,Northwestern Polytechnical University ,Xi ’an 710072) Abstract SUS304/ZrO 2gradient materials are fabricated by laminated shim techniques.Shrinkages of graded layers with various components and the critical cooling rate are optimized.Results show that shrinkages of graded la 2yers with various components are uniform by controlling adding amount of additives.The critical cooling rate is 1.73℃/min using the third impact factor ,it can avoid detects.SUS304/ZrO 2gradient material with graded compo 2nents and better bonding at interlayers is obtained after sintered at 1350℃.Interfacial bonding strength of gradient material can reach 187.3MPa which can meet the requirements of aeronautic technology. K ey w ords aeronautical graded materials ,laminated shim techniques ,shrinkage ,cooling rate 3航空支撑基金资助项目(CB10003) 何金徕:男,博士研究生,研究方向为飞行器结构及材料设计 E 2mail :hejinlai.nwpu @https://www.360docs.net/doc/c8991587.html, 航空材料的制备技术是航空3大关键技术之一[1],其中 用于飞行器、航空发动机以及涡轮盘等领域的材料要求同时具有较高的强度和承受大温差的能力[2],单一材料已不能满足实际的需要,有研究者提出使用金属/陶瓷层状复合材料[3],但在高温情况下由于热膨胀系数的不同会在界面处产生内应力,引起脱落、剥离等破坏性问题。而金属/陶瓷梯度材料[4](G radient materials )由于其成分随厚度梯度变化,没有明显界面,从而缓和了热应力,并具有隔热性、高热传导率和 强韧性等[5] 。制备金属/陶瓷梯度材料的方法很多,如气相沉积法[6]、粉末冶金法[7]、离心铸造法[8]和电沉积法[9]等。其中薄片叠层法[10]具有可以制备大面积以及异形材料的优点,但对其制备工艺的优化设计报道较少。本实验以SUS304和ZrO 2为例,采用薄片叠层法制备了梯度材料,提出采用控制各层收缩率一致来消除残余应力的方法,并优化了临界冷却速率,观察了其微观形貌,最后测试了其结合强度。 1 实验 1.1 原料 原料采用平均粒径为0.27 μm 的3%(摩尔分数)Y 2O 3稳定四方相ZrO 2粉和平均粒径为28.1 μm 的304不锈钢粉。添加剂为乙醇、三氯乙烯、邻苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇和PVB ,以上均为分析纯。 1.2 样品制备 将不同成分(成分梯度变化分别为20%和10%(体积分数))的SUS304/ZrO 2混合粉按一定比例加入添加剂,球磨后经筛分、除气得到浆料,采用带式浆料浇注法制得80～100 μm 的薄片层,再按所需厚度和顺序叠层,在75℃、100MPa 压力下进行热合,最后在1350℃真空进行烧结,制备流程如图1 所示。 图1 梯度材料的制备流程图 Fig.1 Flow chart of fabrication for gradient m aterials ?41?材料导报:研究篇 2009年5月(下)第23卷第5期