功能梯度材料的研究进展

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第 27 卷 第 5 期 Vol. 2 7 No. 5

西 南 师 范 大 学 学 报 ( 自然科学版)

Jour nal of Southwest China Normal University ( Natural Science )

2002 年 10 月 Oct . 2002

文章编号: 1000 5471( 2002) 05 0788 06

功能梯度材料的研究进展

郑慧雯, 茹克也木#沙吾提, 章娴君

西南师范大学化学化工学院, 重庆 400715

摘要: 功能梯度材料是一种由不同性能的材料在组成和结构上沿 厚度方向呈 连续变化的 新型复合 材料. 着重阐 述 了此种材料在设计、制备和性能评 价等方面的 研究 进展 以及 功能 梯度 材料 在国 内外 的研 究成 果、应 用和 发展 前 景. 关 键 词: 功能梯度材料; 材料设计; 材料制备; 特性评价 中图分类号: O64 文献标识码: A

材料是现代科学技术和社会发展的支柱 [1] . 现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展. 对材料, 特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力, 直接体现国家的科学技术水平和经济实力, 也是一个国家综合国力和文明进步速度的标志. 因此, 新材料的开发与研究是材料科学发展的先导, 是 21 世纪六大高科技领域的基石[ 2] . 所谓功能梯度材料( Funct ionally Gradient Mat erials 简称 FGM) 是以计算机辅助材料设计为基础, 采用 先进的材料复合技术, 使构成材料的要素( 组成、结构) 沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化, 从而使材 料的性质和功能也呈梯度变化的新型材料 [3] . 该材料具有较高的机械强度、抗热冲击性能、耐高温性能 ( 达 2000 e 以上) 等特点. 该材料的结构和特性如图 1 所示. 根据不同的梯度性质变化, 功能梯度材料可分为 密度功能梯度材料、成分功能梯度材料、光学功能梯 度材料和精细功能梯度材 料等. 根据 不同的应用领 域, 功能梯度材料可分为耐热功能梯度材料、生物功 能梯度材料、化学工程功能梯度材料和电子工程功能 [4] 梯度材料等 . 功能梯度材料是 21 世纪最有发展前景的新型材 料之一. 功能梯度材料一出现就引起了世界各国的广 泛兴趣和关注. 日本已经将其列入日本科学厅资助的 重点研究开发项目, 美国在 1993 年国家标准技术研 究所开始开发超高温耐热氧化保护涂层为目标的大型 图 1 功能梯度材料的结构和特性 功能梯度材料研究项目[ 5] . 法、德、瑞士、俄等国的 F ig11 St ruct ure and Characterist ic of FGM 研究机构纷纷开展此项工作. 我国武汉工业大学袁润 章教授最早提出了功能梯度材料的概念, 并在金属 ) 陶瓷复合刀具的研究中开始了这方面的工作[ 5] . 华 中理工大学、清华大学、中南工业大学、上海硅酸盐研究所、北京科技大学、哈尔滨工业大学、天津大 学、沈阳金属所和西北工业大学等单位也相继了这方面的工作, 并且在材料设计、工艺合成和评估等方面 做了大量的工作, 取得了可喜的成果. 功能梯度材料的用途已由原来的宇航工业, 扩大到核能源、电子、 光学生物医学工程等领域, 其组成也由金属 ) 陶瓷发展成为金属 ) 合金、非金属 ) 非金属、非金属 ) 陶瓷 等多种组合, 种类繁多, 应用前景十分广阔.

X 收稿日期: 2001

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作者简介: 郑慧雯( 1978- ) , 女, 云南保山人, 硕士研究生, 主要从事金属有机化学研究. 基金项目: 教育部重点科学技术资助项目.

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功能梯度材料是由日本学者平井敏雄、新野正之等人于 1984 年首次提出, 并于

 1987 年开始进行这方 [ 6] 面的研究 . 他们的构想与航天技术的发展密切相关, 目的在于研究开发出表面使用温度达 1 800 e , 表 面温差约为 1 000 e 的新型超耐热材料. 例如航天飞机发动机燃烧室壁燃烧气体一侧温度在 2 000 e 以上, 而另一侧直接接触致冷材料液氢, 其温差大于 1 000 e , 机体材料内部将产生巨大的热应力, 因而对材料 提出十分苛刻的要求. 分散均一耐热材料不能满足此要求. 目前广泛使用的隔热性耐热材料由于存在明显 的相界面, 两相的膨胀系数很大, 加热至高温将产生很大的热应力, 使涂层遭到破坏甚至引起重大事故, 所以此种材料也不能使用于上述环境. 功能梯度材料正是在此种背景下提出的, 其成分和结构呈连续的梯 度变化, 从而消除了金属、陶瓷复合材料之间的界面, 这样材料的力学、热学和化学性能等将从材料的一 侧向另一侧呈连续地变化, 从而达到缓和热应力和耐热隔热的目的. 111 功能梯度材料的设计原理的研究 功能梯度材料的设计与众不同, 一般采用逆设计 系统, 既根据实际使用条件进行 F GM 组成和结构梯 度分布的设计[ 7] . 以热应力缓和 FGM 为例, 根据使 用的热环境和构件形状, 确定热应力学边界条件; 以 知识库为基础选择可供合成的 FGM 材料组合体系和 制备方法; 然后选择成分呈梯度变化的分布函数, 按 照材料的复合规律、微观力学理论、材料性能数据库 等进行材料的性能推断, 最后实施温度分布和热应力 计算. 变换梯度成分分布函数和材料组合, 反复上述 过程 可得到热应力最小的组合和梯度成分 的 F GM. 最后将设计结果提交材料合成部门, 合成后的材料经 图 2 功能梯度材料设计流程 过评价再反馈到材料设计部门. 其设计程序框图 [8] 如 Fig12 FGM Design P rocess 图 2 所示. 由此可见, 功能梯度材料的设计首先要求给出明确的应用指标/ 条件及完善的材料知识库, 但目前在 这方面的研究还不够完善. 美国和日本已经把 FGM 的设计作为功能梯度材料研究的主要方向之一 [5] . 通 过设计过程建立数学模型, 经过实验和数学计算得到必要的数据, 利用程序设计语言( 如 P rolog 和 For2 t ran) 建立比较完善的专家系统和数据库. 目前, 设计部门已建立了较丰富的 F GM 体系的数据库. 这方面 的研究目标还是继续研究功能梯度材料体系更准确的设计模型[ 9] . 112 功能梯度材料的制备方法的研究 用于制备 FGM 的工艺方法很多 , 从陶瓷和金属微粒出发有粉末冶金法、等离子喷涂法和自蔓延 高温合成法( SHS) 等. 从气相出发有物理气相沉积法( P VD) 和化学气相沉积法( CVD) . 另外还有电沉积 法、激光熔覆法、部分晶化法、热分解法、扩散法、溶胶- 凝胶法、离子交换法和氧化还原法等. 11211 粉末冶金法 粉末冶金法 [11] 是将金属、陶瓷、晶须等颗粒状原料按梯度铺成积成结构, 使用的材料主要是稳定的 ZrO 2 / PSZ 不锈钢( SU S304) 、钨、钼等, 经压实、烧结而制成功能梯度材料. 这种工艺比较适合制备大体 积的材料, 但工艺比较复杂, 制得的材料有一定的空隙率. 据报道, 该工艺烧结时间短, 压力低, 产品又 [ 12] 无裂纹, 而且完全致密 是使用最广泛的方法之一. 主要用于制备 Mo ZrO2 , Ni ZrO 2 , P SZ/ T iAl 等系 功能梯度材料. 11212 自蔓延高温合成法( SH S) . 自蔓延高温合成法( SHS) 主要使用的材料是 TiB2 , TiC Ni , Cu, 将构成化合物的元素粉末和金属 粉末按梯度组成充填, 以冷等静压成型, 放入反应容器, 在一端点火燃烧, 由于反应向前传播, 最终即可 形成由反应产物与金属构成的 F GM. 该法能制备出大体积的梯度材料, 但所制得的材料空隙率较大, 机 械强度较低. 11213 等离子喷涂法 等离子喷涂法[ 13] 主要使用的材料是部分稳定的 NiCr Al/ MgO ZrO2 等, 是采用多套独立或一套可 调组分的喷涂装置, 精确控制等离子喷涂成分合成功能梯度材料. 该法可以方便地控制粉末成分的组成、

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沉积效率高、较易得到大面积的块材, 但制得的材料空隙率高、层间结合力低、易剥落、材料强度不高. 11214 物理气相沉积法( PVD) . 物理气相沉积法( PVD) [11] 主要使用的材料是 Ti TiC , Cr CrC/ CrC, CrN , 使加热蒸发的金属沉积在 衬底上进行涂层的方法, 在金属、半金属中送入 O、N 和碳化氢等反应气体后, 合成氧化物、氮化物和碳 化物等陶瓷沉积在衬底上. 该法沉积温度低, 对基体热影响小, 但沉积速度低, 不能连续控制成分分布. 11215 化学气相沉积法( CVD) 化学气相沉积法(

 CVD) [13] 主要使用的材料是 C/ C SiC, 通过两相气相均质源输送到反应器中进行均 匀混合, 在热基板上发生化学反应并沉积在基板上. 该法由于能按设计要求精确地控制材料的组成、结构 和形态, 并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化, 无须烧结即可制备出致密的性能 优异的 FGM, 因而受到人们的重视. 11216 电沉积法 电沉积法[ 14] 是将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中, 通过注入另一相的悬浮液使之混合并控 制注入速率而改变组成比. 在电场作用下电荷的悬浮颗粒就在电极上沉积下来. 最后得到 FGM 膜或材 料. 该法工艺设备简单、操作方便、成型压力和温度低, 精度易控制, 生产成本低廉等显著优点而倍受材 料研究者的关注 [15] . 但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料. 11217 激光熔覆法 激光熔覆法 是以高功率的激光入射至基片( FGM 的一种组分) 上并使之熔化, 同时将预先设计好的 组分配比的混合粉末注入到熔化区中, 这就形成了第一包覆层. 改变注入粉末的组成配比, 在上述覆层上 熔覆的同时再注入. 于是在垂直覆层方向上就存在着组分的变化. 重复以上过程, 就可以获得任意多层的 F GM. 该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能. 但由于激 光温度过高, 涂层表面有时会出现裂纹或孔洞, 并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应 [16, 17] . 总之, 功能梯度材料的制备在国内外都取得了巨大的成果, 但无论采用哪种方法大都是通过控制气体 组成, 得到从金属、半金属向陶瓷连续变化的功能梯度材料. 每种方法都具有其自身的优缺点, 如何发展 完善工艺将是至关重要的. 113 功能梯度材料的特性评价的研究 功能梯度材料由于组成和性能是梯度变化的, 因而不能采用常规的测试手段来评价其性能. FGM 的 材料特性评价是建立准确评价 F GM 特性的一整套标准化实验方法, 依此标准对 FGM 进行测试并将测试 结果及时反馈材料部门. 目前国内外尚无统一的标准. 例如用于新型航天飞机的热应力缓和型 F GM 的特 性评价一般包括 [8] : ( 1) 局部热应力评价, 采用激光、超声波等技术来评价局部热应力的分布. ( 2) 隔 热性能评价, 主要模拟实际环境进行实验, 如高温落差实验, 高速回转加热场评价实验等. ( 3) 破坏强度 评价, 包括小型冲孔实验、热冲击评价及热疲劳评价等. 消除或降低功能梯度材料中的残余应力是获得可靠 FGM 的关键. 它是目前功能梯度材料理论研究的 重要内容. 日本的一些研究者对功能梯度材料的残余应力特性进行了研究. 他们选用 ZrO2/ Ni 基合金复 合材料的梯度结合和直接结合, 利用有限元分析发现: 梯度结合可以使均匀加热导致的残余应力低于直接 [ 18] 结合 . 美国 K S Ravichardan 采用热膨胀相差较大的 Al2 O3 Ni 材料, 对不同成分变化状态下得到的残 余应力进行研究, 确定梯度材料成分变化函数与残余应力之间的关系, 结果表明: 得到的功能梯度材料成 分线性变化的残余应力较小[ 19] . 另外, 利用计算机对功能梯度材料的残余应力进行数学分析也是 F GM 理论研究的一个重要方面 [20, 21] . 目前, 日本在 FGM 特性评价方面取得了较大的进展: 已开发的高温落差基础评价设备能模拟材料表 2 面温度 2 000 K, 落差 1 000 K 及热负荷 5MK/ m 的实验条件, 对隔热、耐热和热疲劳性能进行评价; 采 用空气磨檫加热场模拟大气层环境, 进行对材料的耐热、抗氧化性和重复使用性进行评价; 采用激光局部 加热, 用声学探测对材料的抗热冲击性能进行评价[ 22] . 114 功能梯度材料的研究成果 虽说迄今为止梯度材料的发展不到 20 年, 但其研究开发却十分迅速, 特别是日、德、美等先进工业 国不论是对功能梯度材料组织结构、性能, 还是他们的制备工艺、设备以及材料应用方面都取得了令人瞩 [ 23] 目的成果 . 日本等科研单位、公司取得了一系列的研究成果 [11] : 日本东北大学金属材料研究所, 使用 CVD 通过 控制原料气体的碳化硅和碳的比例, 合成了厚度为 014 mm 的 SiC/ C 系功能梯度材料, 通过激光冲击实验

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的结果证明, 该材料具有极优良的耐热冲击性能. 该大学运用粒子法烧结出 W ZrO2 系、Mo ZrO2 系、 N i ZrO2 系和 SUS3 04 ZrO2 系热应力缓和型功能梯度材料, 其中间层的厚度为 8 mm. 日本住友电气工 业公司, 接受了东北大学的研究成果, 在 C/ C 材料的两面, 分别采用物理蒸镀法形成了 TiC/ T i 系功能梯 度组成层和采用化学蒸镀法确立了厚度 014 mm 的陶瓷 ) 碳系功能梯度材料的合成法, 形成了 Si

C/ C 系功 能梯度组成层. 再通过使两者融合, 成功地合成了功能梯度材料. 日本钢管公司采用了把配合量不同的陶 瓷 ) 金属的薄膜材料重叠起来, 经脱脂、烧结制作叠层烧结体的薄膜叠层法, 创制出厚度 3 mm 不起翘、 无裂纹、平坦的 ZrO 2 / Ni 系功能梯度材料. 新日本制铁公司, 使用减压等离子喷镀法, 成功地合成了厚度 4 mm, 气孔少、致密的 ZrO2 / 8% Y 2O 3 Ni/ 20% Cr 系功能梯度材料. 日本东北工业技术实验所, 已成功 使用自蔓延热反应法同时合成成型技术, 研制出厚度 3 mmTiB/ Cu 系功能梯度材料, 该材料为圆筒状, 内 径 95 mm, 外径 105 mm, 内侧为 T iB2 , 外侧为 Cu, 中间层厚度为 4 mm. 内侧的使用条件是 1 227 e , 外 侧的使用条件为 27 e , 温差达 1 200 e . 日本金属材料研究功能特性研究部使用高电流密度法( HCD) 型的 PVD 设备, 用氩等离子, 使水冷铜坩埚内的 Ti、Cr 进行蒸发, 边改变金属蒸气中的 N 2 , C2 H 2 等反应气 体的流量边送入反应气体, 合成了 Ti ) TiN, T i ) TiC, CrN ) Cr 等材料. 日本东芝公司采用烧结渗浸法 先制成了小型的钨/ 铜梯度组成的材料后, 确立了在烧结时控制各层材料收缩的技术, 实现了材料的大型 化, 制成核聚变的 80 mm @80 mm @25 mm 的大型电子束靶材料, 强度达到已往的钨/ 铜功能梯度材料的 115 倍. 日本东北国立工业研究院报道了用自蔓延高温合成( SHS) 工艺研制了 TiB2 Cu 为基础的功能梯度 材料. 这种工艺还作为合成先进材料的一种有效方法而引人注意. 日本住友煤矿公司开发出加工功能梯度 材料的新技术 ) 电脉冲方法, 它是利用电脉冲来引起离子粉末之间的等离子充电, 瞬间地将混合物热到高 温. 该公司采用此法已将玻璃 ) 不锈钢和玻璃 ) 硅加成了功能梯度材料. 与此同时, 日本国防研究院也采 用这种新技术将两种熔点差异大的材料 ) 钛铝合金和锆合金加工成了功能梯度材料. 日本的 A#Otsuka 等 人应用干粉喷射喷涂工艺( Dry Jet Spraying) 把用高频等离子体系制备出的 T i 和 Al2 O 3 超细粉粒沉积到 了圆柱形 Ti 棒上, 制得了 Ti Al2 O3 功能梯度材料涂层. 日本 NKK 公司藤田耕一朗等在高硅钢基础上采 用控制硅扩散的方法制得了梯度高硅钢带. 大森守等采用放电等离子烧结工艺研制出 WC 系梯度切削工 具材料. 大 t 爱子等用放电等离子烧结法研制出 Cu/ Al2 O 3 / Cu 对称型梯度材料. 该材料具有高的热传导 率、电绝缘性和优异的平面内导电率. 美国 1977 年发射的太阳系行星旅行者 2 探测器上的电源就是由 Si Ge 梯度热电功能材料制成的热电 发电机[24] . Ishibashi H 等人的 Mo SiO 2 梯度材料即能与灯壳体达到匹配封接, 又具有钨极一样的导电性, 且灯 壳与电极间有良好的绝缘性[ 25] . Abboud 等人利用 2KMCO 激光器在 T i 金属基片上熔覆 Ti Al TiB2 , 可得到分布连续的梯度层 [14] . Sarkar 等人用电沉积法制备了 ZrO2 / Al2 O 3 FGM, 其组分连续变化, 厚度为 6 mm 左右时只用了约 90 min 的时间 [14] . 瑞士 ZH U J 等人通过粉末冶金法成功地制得了 ZrO2 / NiCr 功能梯度材料. 该材料从宏观上消除了传 统的金属和陶瓷界面. 在化学组成和成分微观分布上表现出良好的梯度分布[ 26] . Mihara 等人设置层间厚 度为 100 600 Lm, 陶 瓷/ 金 属之比 每层按 10VOL% 的梯度 增加, 制 备了 ZrO 2 / 304 不锈钢 FGM[14] . S Eroglu 和 T Baykara 等人应用单枪大气等离子喷涂技术在 4140 钢基体上制备了 Ni Cr Al/ Mg ZrO 2 功能梯度涂层, X Ray 分析表明: 涂层成分与初始粉末成分一致 [27] . 土耳其的 S Eroglu 等人研究了用等离子喷涂技术制得 NiCr Al/ MgO ZrO2 功能梯度涂层 . 该涂 层由单吹管等离子喷涂机在空气中制得, 对富 MgO ZrO2 ( 50% 以上) 和富 NiCr- Al 的粉末, 喷涂距离分 别为 75 mm 和 130 mm, 试验用基体材料是 5 mm 的 AlSi4140 钢板, 先用 SiC 作喷沙处理, 立刻进行喷 涂, 以增大附着力. 在国内, 北京科技大学葛昌纯教授领导的科研小组成功研制出了新一代开发聚变能的关键材料 ) / 耐 高温等离子体冲刷功能梯度材料0. 该材料在物理、化学溅射、热解吸特性和高热负荷性能等方面都达到 了预期的研究目标, 为我国研制新一代核聚变托克马克实验室装置提供了模块和大尺寸试样, 并为中试和 产业化准备了坚实的材料体系和工艺技术基础. 该大学通过热压法还成功地研制了 SiC/ C 的功能梯度材 料. 通过 SEM 可以观察到它的微观结构, 在 500 e 骤冷, 可及时检测到 SiC/ CF GM 的热冲击性[ 28] . 武汉工业大学唐新峰、张联盟、袁润章采用真空烧结与热压烧结技术分别制得了直径 24 mm @516 mmPSZ Mo 系无宏观缺陷的 F GM 试样[ 29] , 直径 30 mm @5 mmPSZ Mo 系无宏观缺陷的 F GM 试样和

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MgO/ N i 系 FGM. 与此同时, 武汉工业大学沈强、张联盟、袁润章采用烧结工艺制得了完整的、无宏观 缺陷的 Ni/ N i3Al T i 系 FGM 试样[ 30] . 中国科学院上海硅酸盐研究所采用烧结方法制得了 Ni ZrO2 精细 [ 31] 功能梯度材料 . 西南师范大学羰基金属实验室用金属有机气相沉积技术( MOCVD) 制备金属 ) 陶瓷的成分梯度材料进 行了成功的探索. 利用该法易于调节金属有机化合物气流量和压力来连续控制改变金属 ) 陶瓷的组成比和 结构, 所制得的材料致密性好. 但其主要缺点是制备大厚度的块材有一定难度, 设备要求高. 目前正以提 高气相沉积速率来加快合成速度进行深入的研究.

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功能梯度材料的应用前景和发展前景

功能梯度材料的应用前景

虽然 FGM 的开发是针对航空航天领域应用的超耐热材料, 但由于 FGM 具有均质复合材料和复合材 料无法比拟的优点, FGM 通过金属、陶瓷、塑料等不同有机和无机物质的巧妙结合, 可广泛应用于各种 要求的材料领域: 在核能领域, 以 F GM 替代不锈钢 ) 陶瓷层状复合材料用于核反应堆第一壁结构支撑部 件是可以消除热传递和热膨胀引起的应变等而完全克服界面问题. 在生物医学领域, 以 F GM 制造的人造 器官, 如人造牙齿、人造骨骼、人造关节等, 具有极好的生物相容性和高的柔韧性、高的可靠性和高的功 能性. 在化学领域, 用 FGM 制成的高分子膜、催化剂、反应容器、燃烧电池等具有耐热、耐腐蚀、高强 度、高寿命等优点. 在光电工程领域, 若大功率激光棒、复印机透镜、光纤接口等用 FGM 制备, 则可消 除热应力增强、重量重等缺点. 在信息工程领域, 由于 FGM 具有提高信息传递精度、适应环境、减轻重 量等优点, 因而可用于制备光纤元件、一体化传感器、声音传感器等. 在民用及建筑领域, F GM 所制成 的纤维衣物、食品、建材等具有隔热防寒、营养保健、减震降噪等多项功能. 212 功能梯度材料的发展前景 功能梯度材料自 20 世纪 80 年代中期产生以来得到飞速发展. F GM 的研究正在向多学科交叉, 多产 业合作及国际化的方向发展. 今后, FGM 的研究仍将针对具体应用目标, 以材料设计为核心, 开发各种 [ 32] 尺寸、复杂形状的 FGM, 同时引入热应力缓和以外的梯度功能概念, 进一步拓展其应用领域 . ( 1) 设计方面. 首先是非均质材料的组成 ) 结构 ) 性能体系的深入研究, 通过完善连续介质理论、量 子( 离散) 理论、渗流理论及微观结构模型, 并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测, 尤其需要研究材 料的晶面( 或界面) ; 同时大力开发研究计算机辅助 FGM 设计专家系统, 用人工智能理论积累、整理与材 料设计、制备、评价有关的数据库、知识库, 为材料的研制提供实验设计和优化控制, 从而提供设计精 度. ( 2) 材料制备方面. 开发可合成大尺寸及复杂形状的 F GM 合成技术; 开发更精确控制梯度组成的技 术, 如计算机控制的梯度铺垫系统; 深入研究制备工艺机理, 如 SHS 法的反应机理, 粉末冶金发的成型 及烧结机理、气相沉积机理等, 尤其要加强非平衡系统的研究. ( 3) 特性评价方面. 对于以热应力缓解为主的 FGM, 应进一步使性能评价的实验方法标准化, 完善 评价指标, 如长时间使用的性能劣化评价和耐高温氧化评价等; 对于缓和热应力以外的 FGM, 则要根据 具体应用条件来研究确定评价指标及方法.

制备和发展功能梯度材料是当今材料相关科学研究的重要组成部分, 更是高科技功能材料、航天、航 空、核工业、生物工程等部门的迫切需要. 随着功能梯度材料的广泛研究, 必将展示它的巨大潜力; 必将 极大地推动材料科学与技术乃至国民经济的发展. 参考文献:

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郑慧雯, 等: 功能梯度材料的研究进展

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The Advance of Functionally Gradient Mat er ials

ZHENG Hui2wen, RU Keyemu. shawuti, ZHANG Xian2jun

School of Chemis t ry and Chemical Engineering , Southwest China Normal University , Chongqing 400715, China

Abstr act: Funct ionally Gradient Materials ( FGM) is a new material, which has continous change in component and st ruct ure from surface of the mat erial t o depth. An overview of most important developments in t he field is given including material designs, preparat ions, propert ies and applicat ions. Key words: Funct ionully Gradient Materials( F GM) ; design met hod; fabrications; propert ies 责任编辑 潘春燕

功能高分子材料研究进展

功能高分子材料研究进展 摘要 功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支,它是研究各种功能性高分子材料的分子设计和合成、结构和性能关系以及作为新材料的应用技术,它的重要性在于所包含的每一类高分子都具有特殊的功能。它主要包括化学功能高分子材料、光功能高分子材料、电、磁功能高分子材料、声功能高分子材料、高分子液晶、医用高分子材料几部分,这一领域的研究主要包括研究分子结构、组成与形成各种特殊功能的关系,也就是从宏观乃至深入到微观,以及从半定量深入到定量,从化学组成和结构原理来阐述特殊功能的规律性,从而探索和合成出新的功能性材料。本文主要论述了在工程上应用较广和具有重要应用价值的一些功能高分子材料,如吸附分离功能高分子、反应型功能高分子、光功能高分子、电功能高分子、医用功能高分子、液晶高分子、高分子功能膜材料等。 关键词:高分子材料;功能高分子;功能材料; Abstract Functional polymer materials is an important branch of polymer science, it is the study of various functional polymer molecular design and synthesis of relationship between structure and properties and application technology as a new material. its importance is that contains every kind of polymer has special function it light functional polymer materials mainly include chemical functional polymer materials electric magnetic functional polymer materials acoustic functional polymer materials, polymer liquid crystal sections medical polymer materials, the research of this field mainly includes the study of the function of the molecular structure and formation of various sorts of special relationship, which is from the macro and go deep into the micro, and from the quantitative and semi-quantitative into from the chemical composition and structure principle to explain the special function of regularity, to explore and this paper mainly discusses the synthesis of new functional materials. Keywords:high polymer materials; functional polymer; functional Materials;

材料力学研究课题

剪线钳力学分析 12级机械电子一班 叶兴状 3126113024 我做的研究课题是剪线钳使用及其断裂失效原因分析,由于时间紧、期末忙于复习考试难免会有错误,希望老师加以批评指正、不吝赐教。 我们家里都有用过剪线钳这一普通工具,剪线钳用于各种操作,通常用来剪尺寸正常的铜线、铁线等。下图是我找到的一把普通剪线钳,目视检查后,分三步进行分析 并预测其失效的原因。首先进行应 力计算,事先准备一根10TW(直径 0.259cm)的铜线,通过去图书馆查 阅资料知道剪断这种型号的铜线 需要D 的力为F=436N,而且我在 实验过程中发现剪线钳只发生弹 性弯曲,连续完成三个实验后,剪线 钳没有明显的损伤。剪线钳是由Q255钢制成的,施加在剪线钳上的最大外层应力可以用简支梁的计算公式计算: I M y =σ 简单粗略计算得:式中 M ——为力矩=6.4cm*438N y ——为0.34cm I ——为惯性矩=0.0112 cm 4 所以 =σ 8.4*104 Pa

查阅资料得:该型号剪线钳抗拉压强度[σ]=1.24*108Pa 将剪线钳的一边看成外伸梁,如图 d1=14cm d2=3cm F1=436N F2=-F1=-436N 直径d=1.2cm 查表知:E=45GPa 则M A =F1*d1+F2*d2=46.51N/m 抗弯截面系数W=d/2I 其中I=64 d *d *d *d π则W=32 d *d *d π=1.8*10-7cm 3 横截面积A=4d *d π=1.13*10-4 压应力=σA F 1=3.9*106Pa 由M MAX =Fd1 强度条件为 M MAX <=W[σ] 联立解得F<=1.6KN 所以根据上述计算可知,只要施加在剪线钳上的最大压紧力不超过 1.6KN ,该剪线钳就不会损坏,所以平时要注意,这样就可以保护好剪线钳。

新材料概论金属材料及其合金的研究进展

新材料概论金属材料及其合金的研究进展

河南工程学院《新材料概论》考查课 专业论文 金属材料及其合金的研究进展 学生姓名: 学号:== 学院: 专业班级: 专业课程: 任课教师:

日 金属材料及其合金的研究进展 ) 摘要:金属是人们日常生活生产中最不可或缺的材料,更是人类社会进步的关键所在,本篇论文主要论述金属材料的种类、性能及在社会发展中的重要应用,并且展望金属材料在未的发展前景。 关键词:金属材料、镁合金、铝合金、记忆金属 金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。由两种或两种以上的金属,或金属与非金属,经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质称为合金。工业中广泛使用的金属材料是合金,金属材料中最常用的是钢铁、铝合金、铜合金、镁合金、钛合金等。现代生产生活中种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。 一、金属材料的分类 金属材料通常分为黑色金属和有色金属如图1所示 1、黑色金属又称钢铁材料,包括含铁90%以上的工业纯铁,含碳2%~4%的铸铁,含碳小于2%的碳钢,以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。 2、有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金,通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高,并且电阻大、电阻温度系数小。 3、特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料,以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等;还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金,以及金属基复合材料等。[1]金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属、喷射成形金属,以及粉末冶金材料。铸造金属通过铸造工艺成型,主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。变形

金属材料大气腐蚀研究进展汇总

存档日期:存档编号: 北京化工大学 研究生课程论文 课程名称:材料保护学 课程代号: 任课教师: 完成日期: 专业: 学号: 姓名: 成绩:_____________

金属材料大气腐蚀研究进展 摘要:本文对金属大气腐蚀研究做了简介,综述了我国的大气腐蚀研究进展,并比较了国内外的发展水平。得出我国的大气腐蚀研究已经进入了世界强国之列,但是总体上与美国等发达国家有着20-30年的差距。对以后的大气腐蚀研究方面提出了展望。 关键词:金属,大气,腐蚀

大气腐蚀是指大气中的腐蚀性气体溶解在水中作用于金属表面所引起的腐蚀[1]。大气腐蚀是金属腐蚀的基本类型,几乎所有与大气接触的金属材料都会受到大气腐蚀,大气腐蚀所造成的损失约占腐蚀总损失的一半以上[2],因此,开展大气腐蚀与防护的研究具有重要的意义。 1.金属大气腐蚀研究简介 金属的大气腐蚀是自然界中存在的最普遍的腐蚀现象,因此人们在很早以前就已经开始对它进行研究。特别是基于自然环境中的大气腐蚀现场曝晒试验直观、可靠的特点,世界各国对其都格外重视。尤其是像美国、英国和日本等工业发达的国家,早在上个世纪初就开始通过现场曝晒试验研究多种材料在自然大气环境中的腐蚀行为。相比之下,我国开展自然环境的大气腐蚀研究起步较晚,始于20世纪50年代中期,即1955年开始建立大气腐蚀曝晒试验站,但由于历史原因,发展迟缓,不具系统性,期间由于“文革”影响还中断了十几年,直到1980年才在全国范围内恢复自然环境腐蚀试验网站的建设工作[3]。我国在大气腐蚀基础研究方面在国内外发表了大量的论文,这些系列论文的发表极大的提高了我国在大气腐蚀方面的研究地位,标志着我国已经进入大气腐蚀研究强国之列,而且这方面还保持着很好的发展势头[4]。 2.大气腐蚀行为与规律若干研究进展 (1)金属材料自然环境腐蚀幂指数规律的建立和金属大气腐蚀初期行为与规律研究[5]。以黑色金属和有色金属材料在我国典型大气环境中的长期现场腐蚀试验为基础,通过数据采集、评价和综合分析,获得了金属材料在我国典型大气环境中的腐蚀速率幂函数规律和相关参数以及拟合曲线,由此建立的幂函数模型可以表征我国典型大气环境下金属材料的腐蚀规律,这一规律的确认与获得是我国材料大气腐蚀学科领域的重要进展。其模型为: D A n t 其中,D——腐蚀深度(mm); t——暴晒试验时间(a); A——第一年的腐蚀深度(与环境及材料有关); n——代表腐蚀发展趋势(随钢种和环境变化极大,数值一般小于1); 对Q235和09CuPCrNi耐候钢在模拟潮湿和湿热大气环境中的腐蚀初期行为;铝合金AZ91D镁合金在模拟大气环境中的腐蚀初期行为与机理;Q235、09CuPCrNi耐候钢、铝合金AZ91D镁合金在单一SO2、CO2、NaCl沉积污染状况下和SO2、CO2、NaCl沉积复合污染下的腐蚀初期行为与机理等进行了系统研究,得到了一系列结果,发表在国内外学术刊物上。

非均质材料力学研究进展

非均质材料力学研究进展: 热点、焦点和生长点 Advances in Heterogeneous Materials Mechanics: Cutting-edge and Growing Points Jinghong Fan1,2 Haibo Chen3 1 Kazuo Inamori School of Engineering, Alfred University, Alfred, New York, 14802, USA 2 Research Center of Materials Mechanics, ChongQing University, ChongQing, 400044, P. R. China 3 Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, CAS Key Laboratory of Mechanical behavior and Design of Materials, Hefei, Anhui, 230026, P. R, China Recently, heterogeneous materials mechanics (HMM) has attained increased momentum for its development. These advances are motivated by the needs of nanotechnology, biotechnology, materials sciences, renewable energy, aeronautical and aerospace engineering, etc. New phenomena, concepts, and methods, and fruitful research results appear in its different branches. This speeds the collaboration and combination between the HMM and other disciplines such as materials science, condensed physics, chemistry and engineering sciences. This trend is shown in the positive attitudes of the world's top scholars, who attended or will attend the series of International Conferences of Heterogeneous Materials Mechanics (ICHMM-2004, ICHMM-2008 and ICHMM-2011). This paper is a systematic review of the cutting-edge and growing points of the heterogeneous materials mechanics. It includes not only the contents of presentations and discussions of the six special workshops held in the ICHMM-2008, but also includes the recent, focused research topics and their new achievements. Specifically, this paper discusses the advances in the following aspects: Multiple physics and multiscale modeling, atomistic to continuum analyses of materials structure and behavior, stochastic microstructure evolution and degradation, modeling realistic microstructure, biological and nature-inspired materials design, in situ experiments and model validation, mechanics of functional gradient materials, and the development of micron-nano devices and systems. Taking the topic of multiple physics and multiscale modeling as an example, this paper introduces its background, objectives, needs, advantages and disadvantages of existing methods, obstacles for its development, applications , intrinsic connections with other

金属材料疲劳研究综述

金属材料疲劳研究综述 摘要:人会疲劳,金属也会疲劳吗?早在100多年前,人们就发现了金属也是会疲劳的,并且发现了金属疲劳带给人们各个方面的危害,所以研究金属材料的疲劳是非常有必要的。本文主要讲述了国内外关于金属疲劳的研究进展,概述了金属产生疲劳的原因及影响因素,以及金属材料疲劳的试验方法。 关键词:金属材料疲劳裂纹疲劳寿命 一.引言 金属疲劳的概念,最早是由J.V.Poncelet 于1830 年在巴黎大学讲演时采用的。当时,“疲劳”一词被用来描述在周期拉压加载下材料强度的衰退。引述美国试验与材料协会( ASTM) 在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”( EZ06-72) 中所作的定义: 在某点或某些点承受挠动应力,且在足够多的循环挠动作用之后形成裂纹或完全断裂时,材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程,称为“疲劳”。金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下,在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在材料结构受到多次重复变化的载荷作用后,应力值虽然始终没有超过材料的强度极限,甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏,这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象,就叫做金属的疲劳破坏。据统计金属材料失效80%是由于疲劳引起的,且表现为突然断裂,无论材料为韧性材料还是塑性材料都表现为突然断裂,危害极大,所以研究金属的疲劳是

非常有必要的。 由于金属材料的疲劳一般难以发现,因此常常造成突然的事故。早在100多年以前,人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。由于但是条件的限制,还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间,美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故,有238艘完全报废,其中大部分要归咎于金属的疲劳。2002 年 5 月,华航一架波音747-200 型客机在由台湾中正机场飞往香港机场途中空中解体,19 名机组人员及206名乘客全部遇难。调查发现,飞机后部的金属疲劳裂纹造成机体在空中解体,是导致此次空难的根本原因。直到出现了电子显微镜之后,人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果,才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。 二.金属疲劳的有关进展 1839年巴黎大学教授在讲课中首先使用了“金属疲劳”的概念。1850一1860年德国工程师提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。1870一1890年间,Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。1920年Griffith发表了关于脆性材料断裂的理论和试验结果。发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹长度,Griffith理论的出现标志着断裂力学的开端。1945年Miner用公式表达出线性积累损伤理论。五十年代,力学理论上对提出应力强度因子K的概念。六十年代,Manson—Coffin公式概括了塑性应变幅值和疲劳寿命之间的关系。Paris在1963年提出疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子幅值?k之间的关系。1974年,美

耐磨金属材料的最新研究现状

耐磨金属材料的最新研究现状 关键词:耐磨材料;锰钢;抗磨白口铸铁;技术进展 摘要:耐磨金属材料被广泛地应用于工业生产的各个领域, 而随着科学技术和现代工业的高速发展,由于金属磨损而引起的能源和金属材料消耗增加等所造成的经济损失相当惊人。近年来,对金属磨损和耐磨材料的研究,越来越引起国内外人们的广泛重视。本文概述了国内外耐磨金属材料领域研究开发的现状及取得的一系列新进展。 0 引言 随着科学技术和现代工业的高速发展,机械设备的运转速度越来越高,受摩擦的零件被磨损的速度也越来越快,其使用寿命越来越成为影响现代设备(特别是高速运转的自动生产线)生产效率的重要因素。尽管材料磨损很少引起金属工件灾难性的危害,但其所造成的能源和材料消耗是十分惊人的。据统计,世界工业化发达的国家约30%的能源是以不同形式消耗在磨损上的。如在美国,每年由于摩擦磨损和腐蚀造成的损失约1000亿美元,占国民经济总收入的4%。而我国仅在冶金、矿山、电力、煤炭和农机部门,据不完全统计,每年由于工件磨损而造成的经济损失约400亿元人民币[1]。因此,研究和发展耐磨材料,以减少金属磨损,对国民经济的发展有着重要的意义。 1国外耐磨金属材料的发展 国外耐磨材料的生产和应用经过了多年研究与发展的高峰期,现已趋于稳定,并有自己的系列产品和国家标准、企业标准。经历了从高锰钢、普通白口铸铁、镍硬铸铁到高铬铸铁的几个阶段,目前已发展为耐磨钢和耐磨铸铁两大类。 耐磨钢除了传统的奥氏体锰钢及改性高锰钢、中锰钢以外,根据其含量的不同可分为中碳、中高碳、高碳合金耐磨钢;根据合金元素的含量又可分为低合金、中合金及高合金耐磨钢;根据组织的不同还可分为奥氏体、贝氏体、马氏体耐磨钢。而耐磨铸铁主要包括低合金白口铸铁和高合金白口铸铁两大类。二者中最具有代表性的是低铬白口铸铁和高铬白口铸铁,而且这两种材料目前在耐磨铸铁中占有主导地位。马氏体或贝氏体、马氏体组织的球墨铸铁在制作小截面耐磨件方面也占有一席之地,中铬铸铁则应用较少。从整体上看,合金白口铸铁的耐磨性优于耐磨铸钢,但后者韧性好,在诸如衬板、耐磨管道等方面有着广泛的应用[2]。 2 我国耐磨金属材料的发展 据统计,国内每年消耗金属耐磨材料约达300万吨以上,应用摩擦磨损理论防止和减轻摩擦磨损,每年可节约150亿美元。近年来,针对设备磨损的具体工况和资源情况,研制出多种新型耐磨材料。主要有改性高锰钢、中锰钢、超高锰钢

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

医用金属材料的研究进展

医用金属材料的研究进展 姓名:因 学号: 专业:材料

摘要:介绍了医用金属材料目前的研究现状、性能和应用,指出了医用金属材料 应用中目前存在的主要问题,阐述了近年来生物医用金属材料的新进展1。Medical metal materials with high strength toughness, fatigue resistance, easy processing and forming excellent properties become clinical dosage biggest and wide application of biomedical materials. 关键词:医用金属种类应用研究进展 一生物医用金属材料的简介 生物医用材料是指能够植入生物体或与生物组织相结合的材料,可用于诊断、治疗,以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。生物医用金属材料是用作生物医用材料的金属或合金,又称外科用金属材料或医用金属材料,是一类惰性材料2。这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能,是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛,遍及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。除了要求它具有良好的力学性能及相关的物理性质外,优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变,前者可能导致毒副作用,后者常常导致植入的失败。已经用于临床的医用金属材料主要有纯金属钛、钽、铌、锆等、不锈钢、钴基合金和钛基合金等3。 二生物医用金属材料的特性 2.1材料毒性 生物医用金属材料的毒性主要来自金属表面离子或原子因腐蚀或磨损进入周围生物组织,由此作用于细胞,抑制酶的活性,组织酶的扩散和破坏溶酶体。具体可表现为与体内物质生成有毒化合物。并且金属离子进入组织液,会引起水肿、栓塞、感染和肿瘤等。一般才用的降毒方法包括合金化、提高耐蚀性、提高光洁度、表面涂层等4。 2.2生理腐蚀性 生物医用金属材料的生理腐蚀性是决定材料植入后成败的关键,其产物对生物机体的影响决定植入器件的使用寿命。 2.3力学性能 生物医用金属材料需要有足够的强度与塑性。一般说来,对人工髋关节金属材料的要求是:屈服强度>450Mpa;抗拉强度>800Mpa;疲劳强度>400Mpa;延伸率>8%。通常材料的弹性模量大于骨的弹性模量,由此会使得材料与骨应变不同,界面处发生的相对位移造成界面松动;除此产生应力屏蔽,引起骨组织的功能退化或吸收8。 2.4耐磨性 耐磨性影响植入摩擦器件的寿命;以及可能产生有害的金属微粒或微屑,导致周围组织的炎性、毒性反应。可通过提高硬度,表面处理等方法进行改善。 三医用金属材料的种类

生物功能材料的研究进展

生物功能材料的研究进展 随着人民生活水平的提高,人们对于医疗保健方面的要求也越来越强,使得对于生物医用材料的要求也越苛刻。本文详细阐述了生物医用功能高分子材料近年来的应用研究及发展状况,综述了国内外生物医用高分子材料的分类、特性及研究成果,展望了未来的生物医用高分子材料的发展趋势。 生物功能材料和加工技术的发展, 使得人工合成材料在医学上的应用, 变得越来越广泛。数十年的医学发展和临床应用, 证明医用高分子材料在人体内外, 获得了成功的应用, 而医学的进步, 又给高分子材料提出了大量新的课题, 使其向“精细化”, “功能化”的方向发展, 赋予了高分子材料以新的生命力。 生物医用高分子材料分合成和天然两大类,下面我们就分别对这两种材料进行详细的论述。 ﹙1﹚天然生物材料 天然生物材料是指从自然界现有的动、植物体中提取的天然活性高分子,如从各种甲壳类、昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维,从海藻植物中提取的海藻酸盐,从桑蚕体内分泌的蚕丝经再生制得的丝素纤维与丝素膜,以及由牛屈肌腱重新组构而成的骨胶原纤维等。这些纤维由于他们来自生物体内且都具有很高的生物功能和很好的生物适应性,在保护伤口、加速创面愈方面具有强大的优势,已引起国内外医务界广泛的关注。自然界广泛存在的天然生物材料仍有着人工材料无可比拟的优越性能。例如:迄今为止再高明的材料学家也做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质,海洋生物能长出色彩斑斓、坚阊义不被海水腐蚀的贝壳等等。甲壳素又称几丁质(chitin),广泛存在于虾、蟹等甲壳动物及昆虫、藻类和细菌中,是世界上仅次于纤维素的第二大类天然高分子化合物。它是一种惰性多糖,用浓碱脱去乙酰基可转变成聚壳糖(chintosan)。甲壳素、聚壳糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解性。降解产物带有一定正电荷,能从血液中分离出血小板因子,增加血清中H-6水平,促进血小板聚集或凝血素系统,作为止血剂有促进伤口愈合,抑制伤口愈合中纤维增生,并促进组织生长的功能,对烧、烫伤有独特疗效。比如家蚕丝脱胶后可得到纯丝素蛋白成分,丝素蛋白是一种优质的生物医学材料,具有无毒、无刺激性、良好的血液相容性和组织相容性。根据研究报道,由于天然高分子医用材料的独特临床效果,它的应用前景相当广阔。﹙2﹚合成生物材料 由于天然材料的有限,人们需要大量的生物材料来维持他们的健康。合成高分子材料因与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能,因而可以植入人体,部分或全部取代有关器官。因此,在现代医学领域得到了最为广泛的应用,成为现代医学的重要支柱材料。与天然生物材料相比,合成高分子材料具有优异的生物相容性,不会因与体液接触而产生排斥和致癌作用,在人体环境中的老化不明显。通过选用不同成分聚合物和添加剂,改变表面活性状态等方法可进一步改善其抗血栓性和耐久性,从而获得高度可靠和适当有机物功能响应的生物合成高分子材料。目前,使用于人体植入产品的高分子合成材料包括聚酰胺、环氧树脂、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、硅橡胶和硅凝胶等。应用场合涉及组织粘合、手术缝线、眼科材料(人工玻璃体、人工角膜和人工晶状体等)、软组织植入物(人工心脏、人工肾、人工肝等)和人工管形器(人工器官、食道)等。 合成医用高分子材料发展的第一阶段始于1937年,其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料,如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953年,其标志是医用级有机硅

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。

金属储氢材料研究进展

Chemical Propellants & Polymeric Materials 2010年第8卷第2期 · 15 · 金属储氢材料研究进展 范士锋 (海军驻西安地区军事代表局,陕西西安 710065) 摘 要:综述了金属储氢原理、目前国内外金属储氢材料的研究现状及应用研究进展,对镁系、稀土系、Laves相系、钛系及金属配位氢化物等几个系列金属储氢材料当前的研究热点和存在问题进行了详细介绍,并对未来金属储氢材料在民品和军工方面的应用研究方向和发展趋势进行了展望。 关键词:金属储氢材料;研究进展;发展趋势 中图分类号: TG139.7 文献标识码: A 文章编号: 1672-2191(2010)02-0015-05 收稿日期:2009-09-09 作者简介:范士锋(1978-),男,工程师,从事战略导弹总体与固体火箭发动机研究。电子信箱:jizhenli@126.com 作为燃料,氢具有最高的质量热值(其热值1.25×106kJ/kg,为汽油的3倍、焦炭的4.5倍), 是理想的高能清洁燃料之一[1-2]。目前,尽管高压(低于17MPa)气态储氢、低温(低于20K)液态储氢等技术手段使得氢在一些常规燃料和航天推进等领域得以应用,但高压气态氢体积热值小以及低温液态氢液化过程耗能高、使用条件苛刻等问题严重限制了氢作为火炸药能量供给组分的应用。利用吸氢材料与氢气反应生成固溶体和氢化物的固体储氢方式,能有效克服上述储存方式的不足,而且储氢体积密度大、安全度高、使用和运输便利。因此,今后储氢研究的重点将是新型高性能储氢材料的研发,目前研究较为广泛的主要是金属储氢材料[3]。 储氢材料按氢的结合方式可分为化学键合储氢(如储氢合金、配位氢化物、氨基化合物、有机液体碳氢化合物等)和物理吸附储氢(碳纳米管、多孔碳基材料、金属有机框架材料、纳米储氢材料、多孔聚合物等)。从上述储氢材料的性能(燃烧热、材料密度、储氢密度、反应活性)等衡量标准分析,高热值的金属储氢材料(包括金属氢化物或合金储氢材料)是火炸药燃料组分的发展重点。 文中主要针对当前金属储氢材料的研究热点和存在问题,对相关金属储氢材料的国内外研究进展进行较为详细的综述,以期为此类高性能材料在火炸药中的应用提供研究思路。 1 金属储氢原理及储氢研究现状 传统的氢气存储方式中,气态储氢方式简单 方便,是目前储存压力低于17MPa的常用方法,但存在着体积密度小、运输和使用过程中易燃易爆等缺点;液态储氢方法的体积密度(70kg/m3)较高,但氢气的液化需要冷却到20K的超低温下才能实现,此过程需消耗的能量约占所储存氢能的25% ̄45%,且液态氢使用条件苛刻,对储罐绝热性能要求高,目前只限于航天领域。金属储氢材料是目前研究较为广泛、成熟的新型高性能大规模储氢材料之一,其储氢密度高、安全性好、适于大规模氢气储运,最重要的特性是能够可逆地吸、放大量氢气。氢一旦与储氢合金接触,即在其表面分解为H原子,H原子扩散进入合金内部直至与合金发生反应而生成金属氢化物,氢即以原子态储存在金属结晶点内(四面体与八面体间隙位置)。在一定温度和氢压强条件下,上述吸、放氢反应式如下式所示: 其中,吸氢过程放热,放氢过程吸热,上述吸、放氢反应过程热力学和动力学与温度、氢压力密切相关,特别是放氢压力与反应温度呈指数变化关系[4]。 储氢材料性能的衡量标准主要用以下2个产量表示:体积储氢密度和质量储氢密度。其中,体积储氢密度为系统单位体积内储存氢气的质量(kg/m3),质量储氢密度为系统储存氢气的质量与系统质量的比值(质量分数)。考虑储氢材料在火炸药中的应用,系统燃烧热(与储存介质的热值和储氢质量分数的大小密切相关)、系统密度(与储存介质的密度和结构相关)和反应活性( 与氧化

功能材料的研究进展

功能材料的研究进展 摘要 功能材料作为现代技术的标志,引起了各国的关注,已经成为材料科学中的一个分支学科,并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。本篇综述简单介绍了功能材料的基本性能、特点及其发展现状。为了满足这些现代技术对材料的需求,世界各国都非常重视功能材料的研究和开发。 关键词功能材料性能特点发展现状 引言 功能材料的概念是美国 Morton J A于1965年首先提出来的。功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料,如磁性材料、光学材料等,它具有优良的物理、化学和生物功能,在物件中起着“功能”的作用[1]。20世纪60年代以来,各种现代技术的兴起,强烈刺激了功能材料的发展。同时,由于固体物理、固体化学、量子理论、结构化学、生物物理和生物化学等学科的飞速发展以及各种制备功能材料的新技术和现代分析测试技术在功能材料研究和生产中的实际应用,许多新功能材料不仅已经在实验室中研制出来,而且已经批量生产和得到应用,并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。因此,功能材料学科已经成为材料科学中的一个分支学科。

一、功能高分子材料的简介 功能高分子材料一般指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料,或具体地指在原有力学性能的基础上,还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。它是上世纪60年代发展起来的新兴领域,是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后开发涌现出的新材料。近年来,功能高分子材料的年增长率一般都在10%以上,其中高分子分离膜和生物医用高分子的增长率高达50%所谓功能性高分子材料,一般是指具有某种特别的功能或者是能在某种特殊环境下使用的高分子材料,但这是相对于一般用途的通用高分子材料而言。这一定义只是一个概括,不一定很确切,较多的人认为所谓功能性高分子材料是指具有物质能量和信息的传递、转换和贮存作用的高分子材料及其复合材料。如有光电、热电、压电、声电、化学转换等功能的一些高分子化合物。可以看出,这是一类范围相当大、用途相当广、品种相当多,而又是在生活、生产活动中经常遇见的一类高分子材料。功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支,它的重要性在于所包含的每一类高分子都具有特殊的功能[2]。 二、功能材料的基本性能 功能材料是以物理性能为主的工程材料的统称,即指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质,或在其作用下表现出特殊功能的材

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。

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