梯度热障涂层热冲击性能研究2016
梯度热障涂层热冲击性能研究
张佳中科院北京航天材料研究所
目前热障涂层（ＴＢＣｓ）在先进涡轮发动机热端部件上的应用已展示了良好的前景，利用物理气相沉积（ＥＢ－ＰＶＤ）制备的ＴＢＣｓ用于涡轮叶片更受到重视。该文对以ＭＣｒＡｌＹ作为粘结层，ＥＢ－ＰＶＤ工艺制备的Ｙ〈，２〉Ｏ〈，３〉部分稳定的ＺｒＯ〈，２〉陶瓷面层所组成的ＴＢＣｓ进行了热冲击试验，并通过ＳＥＭ、ＥＤＳ和ＸＲＤ等方法分析了ＴＢＣｓ的形貌、成分和相结构，从而对ＴＢＣｓ的结合力等性能有了进一步认识
[关键词]等离子喷涂;热障涂层;热冲击性能
[中图分类号]TB321[文献标识码]A[文章编号]100124381(1999)1120019203
Abstract:2mm th ick gradien t TBCs w ere go t by p lasm a sp raying,including N iCrA l2YPSZ and N i?A l2YPSZ1The test resu lt s of therm al shock show that the two k inds of coat ings have differ2 en t failu re behavio r1The failu re of N iCrA l2YPSZ coat ing is cau sed by sub st rate ox idat ion
1The
o ther is f rom radial crack s penet rat ing and ox idat ion1
Key words:A PS;TBCs;therm al shock
自从提出低散热发动机设想以来,围绕热障陶瓷涂层在发动机燃烧室内的应用存在的问题进行了广泛的研究[1～4]。结果表明,热障涂层厚度为3mm左右时,才能达到理想的隔热效果,但是,就目前的研究而言,涂层厚度大多停留在1mm以下厚度范围内[5～7]。为提高陶瓷涂层的隔热效果,关于厚涂层的制备技术、组织及性能研究成为该领域的研究热点,其中,提高热障涂层的热冲击性能是获得应用必须解决的问题。本工作以40Cr为基材,分别研究了厚度为2mm的N i?A l和N iCrA l2YPSZ系等离子喷涂梯度热障涂层的热冲击性能,并对其失效机制进行了分析。
实验方法
基材选用40Cr加工成如图1所示的形状。所用材料包括N i?A l,N iCrA l及8%Y2O3稳定的ZrO2。涂层共分六层,其成分及厚度分布如表1所示。涂层的制备采用等离子喷涂方法,厚度控制通过监测测厚试样的涂层厚度来进行,喷涂每一层时,都根据其金属与陶瓷的含量来调整喷涂工艺参数,以获得最佳的涂层性能。
热冲击实验方法采用北京勤合科技公司的火焰式热冲击加热冷却法。具体是:将喷涂好的试样整体(基体+涂层)放入760℃的箱式电阻炉中保温20m in,然后20℃水中浸淬,完全冷透后,再放入100℃干燥箱中保温20m in,然后重复上述过程,直至涂层出现裂纹或脱落、碎裂。记录下重复的次数。
用平均烧蚀速度(线烧蚀率)、背面温度及达到一定背面温度所需时间等指标来评价。热震或热冲蚀试验设备是采用北京勤合科技研制的实验设备可以测定涂层在反复加热-冷却交替作用下材料或涂层的性能变化来发现问题。过程
中随时观察试样表面热震裂纹的萌生、扩展以及涂层剥落情况。如此反复加热、冷却，直到涂层从基体上剥离（一般设定剥落面积达20%为失效）为止。通过比较涂层剥落所经历的热循环次数、循环时间及试样表面涂层损坏的情况来评定试样的抗热震性能。
结果及讨论
每种涂层取三个试样作热冲击实验,分别记录下涂层表面开始出现裂纹时的热冲击次数及涂层与基体发生剥落或部分碎裂时的次数。实验结果如表2所示。表中所列前一数字为涂层表面出现裂纹时的热冲击次数,后一数字为涂层整体剥落或碎裂时的热冲击次数。实验得出：涂层中的残余应力及内部缺陷对涂层的寿命及设计非常重要,
控制有害的残余应力,以及利用涂层中有益的“缺陷”,都可提高障涂层的质
量。例如,通过控制涂层内部平行于层状结构的不连续小裂纹,可提高陶瓷面层
的应变强度。这是由于多孔材料具有比实体材料低的弹性模量,可减小涂层中由
于热膨胀系数的不同所引起的应变,限制裂纹的扩展a2[〕。涂层内残余应力
的测量比较困难近几年来,采用X射线衍射技术和有限元方法咖〕,也只能给
出定性的结果一般认为,未熔粒子数、粒子温度、孔隙率缺陷、氧化物都会引起
残余应力山〕。但粒子的温度对涂层性能影响最大,温度高时,未熔粒子密度降
低,涂层缺陷减少,同时,氧化物含量提高涂层中氧化膜的生长也会带来额外
的应力在生长过程中,氧化膜的行为复杂,它会随基体金属化学成分机械性能
表面状态的不同而有不同的组织和缺陷,并且破坏和剥落还可能掺夹其中,这些
因素都会使分析复杂。
当TBCs的表面工作温度达到1240?C以上时,冲蚀颗粒可能熔化,如钙镁铝硅(calciummagnesium-alumina-silicates,CMAS)在这一温度下就会熔化,
熔融的CMAS极易陶瓷层中的孔洞和裂纹处扩散,在随后的冷却过程中,形成
如图5所示的三斜结构的玻璃相,即钙长石CaAl2Si2O8[7;25-26;34]. Drexler
等，在北京勤合科技有限公司的设备配合冲蚀下,就可以发生熔融的CMAS 冲蚀.
在熔融的CMAS作用下,陶瓷层不会形成明显的密实区,也不会发生明显
的剥
落.但这些三斜结构玻璃相钙长石的形成极大降低了TBCs的应变容限,即降
低了TBCs抵抗变形的能力。
实验结果表明,N iCrA l2YPSZ系与N i?A l2YPSZ系梯度热障涂层具有完全不同的热冲击失效方式,
N iCrA l2YPSZ系在实验中,先是表面出现径向裂纹,并逐渐沿轴向、径向扩展,同时,在基体与100%N i?A l结合层界面附近出现径向裂纹,并随热冲击次数的增加而不断加剧,两类裂纹共同作用的结果导致涂层最后发生碎裂。而N iCrA l2YPSZ系涂层则是在表面出现径向裂纹前已发生整体剥落。
等离子喷涂氧化锆涂层的性能研究进展
等离子喷涂氧化锆涂层的性能研究进展 程水凤材科091班 摘要等离子喷涂制备的纳米陶瓷涂层与传统微米级涂层相比晶粒更细小, 耐 腐蚀性和断裂韧性明显提高,且致密度、硬度和结合强度更高,本文对等离子喷涂的原理做了简单介绍，就等离子喷涂氧化锆涂层的性能特点进行综述，并总结了最近的研究成果。 关键词等离子纳米陶瓷氧化锆生物活性 0 前言 二十一世纪以来, 随着经济和技术的进步, 以及人们对环保和节能降耗等意识的增强，人们对材料的选择和技术工艺的应用提出了更高的要求。陶瓷的韧性是陶瓷材料领域研究的核心问题,陶瓷的纳米化及纳米复合是目前改善其断裂韧性的极为重要途径之一。1987年德国的Karch 等人首次报道了所研制的纳米陶瓷具有高韧性与低温超塑性行为, 这第一次向世界展现了纳米陶瓷潜在的优异性能, 为解决陶瓷材料的最大问题——脆性展示了一个新的思路。 随着纳米粉末的生产进行了工业化, 纳米材料的研究重点正在从粉末的合成向以粉末为基的涂层或体结构材料的制备转变。纳米材料由于其结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，为等离子喷涂涂层性能的提高提供有利条件。经大量研究表明, 把等离子喷涂技术与纳米技术进行结合, 以纳米结构粉末为原料用等离子喷涂技术制备的纳米结构涂层表现出了极为优异的性能, 使纳米材料的应用更加广泛和大规模化。由于等离子喷涂法制备的纳米结构涂层具有涂层和基体的选择范围广、工艺简单、沉积效率高以及易于形成复合涂层等优点, 因此在工业上潜在着较为广泛的应用前景。纳米陶瓷涂层已经成为材料研究的一个新热点。本文就等离子喷涂氧化锆涂层材料的性能研究做简单综述。 1 等离子喷涂原理 等离子喷涂是采用等离子焰流为热源, 将金属或非金属加热到熔化或者半熔化状态,再用高速气流将其吹成微小颗粒,然后喷射到经过处理的工件表面, 形成牢固的覆盖层, 以满足不同工况需求的一种技术。由于电离介质的不同, 等离子喷涂可分为气体稳定等离子喷涂和液体稳定等离子喷涂两类。但气体稳定等离子喷涂较为常用。 气体稳定等离子喷涂产生等离子体和等离子弧的原理为：正常状态下原子呈现中性, 气体在常温下一般是不导电的。但是当外界通过某种方式给气体分子或原子足够的能量时, 就可以使电子能够脱离原子而成为自由电子, 从而使得分子或原子成为带电的离子, 产生电离。电场维持着强烈的电离, 并形成了弧光放电, 即产生电弧。这种整体上呈现中性、充满着数量相等的正负离子的电离气体称为等离子体。在等离子喷枪中, 阴极和阳极喷嘴之间气体介质出现持续而强烈的电离产生直流电弧, 该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体, 并在喷嘴水冷壁的机械压缩效应、热压缩效应及自磁压缩效应的作用下电弧被压缩产生了气体电离达1%以上, 温度达几万度的非转移性等离子弧。
TBC热题目背景介绍讲解
一、概述 国内外研究状况 燃气涡轮发动机的主要发展方向是提高发动机涡轮前燃烧温度、增加推重比和提升涡轮发动机部件在包括腐蚀和氧化等严酷服役环境下的热效率。随着发动机燃烧温度、推重比和热效率的提高，发动机热端部件，特别是燃烧室中的燃气温度和燃气压力不断提高，而现有的高温合金和冷却技术难以满足需要，热障涂层（Thermal Barrier Coatings,TBCs）技术[1, 2]得到了广泛的重视。热障涂层是金属缓冲层或粘结层和耐热性、隔热性好的陶瓷热保护功能涂层组成的“层和型”金属陶瓷复合涂层系统。表面陶瓷工作层是借助于基体和陶瓷层之间的金属粘结层与高温基体结合。此中间过渡层具有优异的耐高温、抗氧化性能，热膨胀系数介于基体金属与表面陶瓷层之间，减少了陶瓷涂层与合金基体之间热实配问题，可减缓界面应力，提高涂层结合强度、抗热震性能和工作寿命。随着燃气温度的不断提高，如何获得性能更优异、寿命更持久的热障涂层已经成为研究人员迫切需要解决的重大难题。 热障涂层主要包括双层系统、多层系统和梯度系统[1]。这三种结构形式各有特点，针对不同的环境要求，可以采用不同的结构体系。多数实际应用的热障涂层采用双层结构如图1(a)所示，这种结构制备工艺相对简单、耐热性强，但由于涂层热膨胀系数在界面跃变较大，在热载荷作用下涂层内容易积聚较大的应力，因此抗热震性能难以得到进一步提高。为了缓解涂层内的热效应匹配问题，提高涂层整体抗氧化及热腐蚀能力，发展了多层结构系统（图1(b)）。其每一层都具有各自的特定功能，外层封闭层和阻挡层主要用于阻挡燃气腐蚀产物的侵蚀，扩散阻挡层则用于降低氧原子进一步向涂层内扩散。多层体系结构的力学行为更为复杂，制备也相对困难，付诸实际运用很少。日本学者新野正之、平井敏和渡边龙三等于1987年首次提出了两种或多种金属与陶瓷材料复合[3]，制备一种在结构和组分上呈连续梯度
发射率可调型智能热控涂层的发展现状_史建中
收稿日期:2007-04-02;修回日期:2007-05-24 作者简介:史建中,1978年出生,硕士,主要从事热控涂层的研究工作 综述 发射率可调型智能热控涂层的发展现状 史建中 曾一兵 刘文言 (航天材料及工艺研究所,北京 100076) 文 摘 介绍了用于航天器热防护的电致变色和热致相变2种智能热控涂层的基本原理、制备方法及目前的研究现状,对我国智能热控涂层的发展进行了展望。关键词 热控涂层,发射率,航天器 Develop m e nt of Em ittance V ari ab l e Ther mo -Controllable Coati ngs Sh i Jianzhong Zeng Y ibing L i u W enyan (A erospace R esea rch Instit ute o fM ater i a ls and P rocessi ng T echno logy ,Be iji ng 100076) Abst ract In th is paper ,t w o types of e m ittance variable ther m o -controllab le coati n g s based on electr ochro m is m and ther m ochro m i s m are i n troduced .The basic princi p le ,preparation m ethods and present status of the m are over -vie w ed .F i n ally ,the counter m easures fo r chi n a s 's m art ther mo -contr o llable coati n gs developm ent are point ou.t K ey w ords Ther m o -Contro llable coati n gs ,E m ittance ,Spacecraft 1 引言 热控涂层是空间飞行器热控系统所采用的一种重要材料,其原理是通过调节物体表面涂层的太阳吸 收率( s )和发射率( )来控制物体温度。传统热控涂层 [1~3] 的太阳光谱红外发射特性固定,无法跟随环 境温度变化而变化,航天器需要庞大而复杂的温度控制系统才能满足热控要求。对有较强适应性的智能型热控材料的需求也越来越强烈 [4~6] 。智能热控材 料可以根据温度高低自动改变自身的发射率,从而提高卫星温控系统自主管理能力。实现智能热控的方法有几种 [4~5] :基于电致变色的发射率变化涂层、基 于热致相变的发射率变化涂层以及基于微机械技术制造的热控百叶窗等智能热控部件。智能热控涂层比百叶窗具有质量轻、无移动部件等优点。可变发射 率的智能型热控涂层对控制卫星设备温度,尤其是遥感卫星设备的温度具有重要作用。NASA 文献指出,应用智能型热控涂层技术可以节省电加热功率90%左右,减轻热控质量75%左右,可应用于绝大部分航天器,特别适合对功率和质量要求非常苛刻的小卫星 [6] 。美日等国自20世纪90年代起开始研究智能 热控涂层,目前已经进入空间搭载试验阶段。2 电致变色智能热控涂层 2.1 基本原理 电致变色是指在外加电场的作用下,材料的价态与化学组分发生可逆变化,而使材料的发射特性发生可逆改变的现象。从而可以在恰当的时机选用合适的电压来改变目标的光学特性实现热控的智能化。金属氧化物(氧化钨、氧化镍等)和导电高分子(CPs)聚苯胺、聚噻吩及其衍生物等制作的电致变色热控器件,由于其有较好的发射率调控能力,已成为智能热控涂层领域研究的热点。 金属氧化物和有机导电高分子电致变色热控涂层通常都是采用两个对电极设计[7~9] (图1)。氧化物电致变色涂层可以采用W O 3-N i O 、WO 3-V 2O 5等多种形式的对电极设计,其间加入离子导电层。导电高分子电致变色涂层则可以采用导电高分子本身、导电高分子/金属复合电极及无机氧化物等对电极设计方式,并在其间装有吸附电解液的红外透明多孔薄膜。当外接电压时,就可以实现电致变色,产生不同的红外发射率。
激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展_张罡
2000年3月 沈阳工业学院学报 Vol.19No.1第19卷第1期 JO URN AL OF SHENY ANG IN STITU T E OF TECHNO LOGY M ar.2000文章编号:1003-1251(2000)01-0001-07 激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展 张 罡1,梁 勇2 (1.沈阳工业学院材料工程系,沈阳110015;2.中国科学院金属研究所) 摘 要:论述了激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展状况.激光制备陶 瓷热障涂层包括激光重熔和激光熔覆两种方法.激光重熔等离子喷涂热障 涂层可获得等离子喷涂涂层所不具备的外延生长致密的柱状晶组织,提高 涂层应变容限及热震性能.激光熔覆可获得自动分层的梯度热障涂层成分 及柱状晶组织,改善涂层的高温氧化及热震性能.通过激光工艺参数的优化 及涂层体系成分及性能的合理设计,可获得优于等离子喷涂,接近电子束物 理气相沉积的热障涂层性能. 关键词:热障涂层;激光重熔;激光熔覆;等离子喷涂 中图分类号:TN249;TQ174.75+8.16 文献标识码:A 随着航空燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高涡轮进口温度方向发展,燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高,如军用发动机涡轮前温度已达1800℃,预计燃烧室温度将达到2000～2200℃.这样高的温度已超过现有高温合金的熔点,因此必须采用相应措施.除了改进冷却技术外,在高温合金热端部件表面制备热障涂层(TBCs)也是有效手段,它可达到170℃或更高的隔热效果,以满足高性能发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定的要求[1～2]. 热障涂层系统要求涂层不但有良好的隔热效果,而且抗高温氧化及热冲击.针对在腐蚀介质的特殊要求,还要满足高温耐蚀性能.实际应用的热障涂层制备方法主要是等离子喷涂(PS)和电子束-物理气相沉积(EB-PVD)两种方法[3～4]. 等离子喷涂方法主要包括空气等离子喷涂(APS)、真空等离子喷涂(V PS)、低压等离子喷涂(LPPS)等方法.沉积的陶瓷层需要相对粗糙的粘结层表面以得到良好的机械结合;应变容限靠陶瓷层中大量的气孔(气孔率可达20%)和微裂纹获得.抗氧化和热腐蚀性能由粘结层实现. EB-PV D方法在光洁的粘结层表面和正确的涂层涂覆温度条件下,可获得完整、致密的陶瓷层柱状晶组织,陶瓷层与粘结层通过涂层制备时产生热增长氧化层(TGO)以化学键形式连 收稿日期:1999-11-25 基金项目:国防科技重点实验室基金资助项目(ZK0601). 作者简介:张罡,男,37岁,讲师,博士研究生.
黑漆热控涂层涂装工艺研究
黑漆热控涂层涂装工艺研究 周斌张立功王兵存马刚 摘要针对高吸收高发射黑漆热控涂层在的应用需求，开展了相应的涂装工艺研究，采用正交试验法确定了黑漆的最佳喷涂工艺参数，研究了底材前处理工艺、表 面活化时间对涂层附着力的影响，同时还研究了涂层厚度与热辐射性能的匹配关系， 形成一套较为完整的、可应用于实际生产的涂装工艺方法。 关键词黑漆，热控涂层，涂装 引言 黑漆热控涂层是一种具有优异耐空间环境性能的有机热控黑漆，其标称太阳吸收比αS 为0.98±0.02，半球发射率εH为0.91±0.03[1]，既可作为高吸收高发射热控涂层使用，亦可作为消杂光涂层应用于光学载荷，提高工作精度。黑漆热控涂层为进口产品，在国内尚属首次应用，没有成熟的涂装工艺方法可供借鉴，本文针对该涂层预期应用产品所对应的基材类型，开展了涂装工艺研究，获得了合适的、具有工程应用价值的工艺参数范围，为黑镁合金防腐热控一体化涂层涂装工艺研究 摘要本文针对研制的镁合金防腐热控一体化涂层的应用需求，研究相应的涂装工艺研究，采用正交试验法确定了镁合金防腐热控一体化涂层的涂装工艺参数，以保证涂层性能，同时还研究了涂层厚度与涂层热辐射性能的匹配关系，形成一套较为完成的、可应用于实际生产的涂装工艺方法。 关键词镁合金；防腐热控一体化涂层；厚度；热辐射性能 随着航天技术的发展，航天任务对航天器的减重需求非常迫切，对低密度、高性能结构材料有着强烈的需求。镁合金是目前最轻的金属工程材料，密度为 1.74g/cm3，仅为铝的2/3，同时比强度高，导电、导热性能好，兼有良好的阻尼 减震与电磁屏蔽性能，使得镁合金代替铝合金成为航天器减重发展的重大方向。 但是，镁合金具有极高的电化学活性，用于结构件时面临着严重的腐蚀问题，因此，镁合金构件表面通常涂装防护涂层，以解决其在使用和储存过程中的腐蚀问题。然而，单一的防护涂层无法解决航天器对镁合金构件综合性能的要求，如构
航天器热控材料
航天器热控原理与材料 姓名：张静 学号：12S109065 指导教师：李春东 日期：2012.10.12
航天器热控材料 1 前言 航天器热控制又称温度控制, 是随着航天技术发展起来的一门综合多学科的新技术, 是任何航天器必不可少的技术保障系统之一。它涉及材料学、热学、计算数学、化学、光学、流体力学、电子学、计算机科学以及试验测量技术等诸多学科领域。它的任务是通过合理组织航天器内部和外部的热交换过程, 使航天器各部位的温度处于任务所要求的范围内, 为航天器的仪器设备正常工作, 提供良好的温度环境。 航天器热控制技术种类很多，使用的场合也各不相同，但从总体上看，一般可分成被动热控制技术和主动热控制技术两类。被动热控制技术是一种开环控制，在控制过程中被控对象的温度无反馈作用，一旦状态确定后，基本上没有调节的余地，通常选择具有一定热物理性能的材料，并通过航天器的布局，合理安排与空间环境及内部仪器设备之间的热交换，使航天器各部分处于要求的温度范围内。被动热控制部分除了布局上的合理安排之外．主要通过包括热控涂层、多层隔热组件等各种不同热控材料的使用，最大限度地减少航天器和周围宇宙空间不可调节的热交换，以控制和调节外部恶劣的热环境及其变化对航天器的影响，这样可以减少航天器内部的温度波动，以满足大部分仪器设备的温度范围要求。被动热控制技术是航天器热控的主要手段之一，而各种热控材料是重要的实现途径，在各类航天器上得到广泛的应用。 2 典型热控材料 随着空间技术的不断发展, 我国已经研制成功多种热控材料。日前, 应用最多最广的有涂层、多层隔热材料、热管、电加热器、导热填料、控温仪和测、控温元件, 在某些情况下也使用过百叶窗、相变材料、热扩散板和环路热管。在载人飞船上还使用厂泵驱动单相流体回路、风扇等装置。这些热控材料, 确保我国航天器热控任务顺利实现。 2.1 热控涂层 在空间真空环境下，物体的表面温度在很大程度上取决于其表面的太阳吸收比和红外发射率的比值αs/ε。因而，航天器及仪器设备的不同表面温度可以通过选取不同αs/ε的热控涂层来进行调节。热控涂层按其组成特点可分为金属基材型涂层、电化学涂层、涂料型涂层、薄膜型涂层、二次表面镜型涂层、织物涂层等。 金属基材型涂层直接在金属基材的表面进行一定的处理就可以形成，如经抛光、喷砂等工艺处理后的表面。电化学涂层一般采用阳极氧化、电解着色和电镀
强化辐射换热涂层的性能研究
强化辐射换热涂层的性能研究 谢小青，吕树申 （中山大学化学与化学工程学院，广东广州，510275） 摘要：本研究以实验研究与数值模拟相结合的方式，对喷涂了不同厚度的两种不同涂料的一系列CPU散热片进行了自然对流条件下的辐射强化换热研究,以测试这两种辐射强化换热涂料的性能，并找出其强化辐射换热的相关规律。实验与数值模拟的结果表明，这两种涂料的确能够强化辐射换热；喷涂适当厚度涂层的散热片比无喷涂的散热片的总散热热阻减少了10％左右，在相同热载荷及边界温度条件下，适当喷涂涂层的散热器与不喷涂的散热器相比，其温度降低多达4℃；对于同种涂料，在保证涂附均匀、完全的情况下，涂层厚度越薄强化散热能力越强；对于相同厚度的涂层，涂料导热率越大其辐射散热能力越强。 关键字：辐射散热；辐射涂料；自然对流；Thermal Desktop Performance study on the heat transfer enhancement of the radiation coating Xie Xiao-Qing, Lu Shu-Shen (Sun Yat-Sen University, Guangzhou, 510275, China) Abstract:In this research a series of the CPU heat sinks sprayed with 2 types coating with different thickness are experimentally and numerically studied under the conditions of natural convection, to test the coating performance of radiation heat transfer enhancement and to find the relating mechanism. Both the experimental and computational results show that the coating do enhance the radiation heat transfer, and the total thermal resistance of the heat sink decreased about 10% than that without the coating. With the coating the temperature at the top of the heater can decrease 4 ℃ at the same condition of the heat load and boundary temperature. The thinner the better with the same type of uniform coating. It shows the higher performance of radiation heat transfer for the higher heat conduction of the coating at the same thickness . Key words:radiation heat transfer; thermal interface materials; natural convection; Thermal Desktop 一、前言 随着电子工业的高速发展，电子产品的性能不断提高且功率不断增大，产品及组件的体积却越来越小，使得产品的热流密度很大。如果产品的散热能力不足，组件与电路的温度就会上升，影响到电子产品的性能与寿命。另外，在日常的工业生产中，各类铜铝散热器被广泛采用。将高发射率、高导热率的涂料涂附在散热器表面，可以强化其散热性能。在航空航天领域，航天器的热管理倍受关注。航天器设备产生的热量最终只能通过辐射器辐射到宇宙中去，如何提高辐射器的辐射散热效率已引起广泛关注。
陶瓷_金属梯度热障涂层圆筒的传热与热应力有限差分分析
第26卷 第3期2002年6月 武汉理工大学学报(交通科学 与工程版 ) Journal of Wuhan University of Technolo gy (T r anspo rtat ion Science&Engineer ing) V ol.26 N o.3 June2002 陶瓷/金属梯度热障涂层圆筒的传热 与热应力有限差分分析* 刘 杰 肖金生 覃 峰 崔东周 (武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063) 摘要:推导了多层陶瓷梯度涂层圆筒模型的温度和热应力分布,对变物性材料的差分解法进行了 分析,并与实际的工程模型进行了对比计算,有限差分解和有限元解能够很好地吻合. 关键词:热障涂层;功能梯度材料;有限差分;热应力 中图法分类号:U664.12;O241.84 基于提高内燃机的经济性和可靠性的考虑, 近年来陶瓷/金属梯度热障涂层及其在内燃机中 的应用研究受到了广泛的重视[1,2].梯度热障涂层 可充分利用两种材料的优良特性,提高内燃机性 能.但涂层在交变热应力作用下仍易脱落破坏,所 以研究涂层工作条件下不同时刻不同涂层材料的 热应力分布有重要的意义[3],文中着重对热应力 的差分解与解析解、有限元解进行比较研究. 1 陶瓷/金属梯度热障涂层圆筒的 传热分析 1.1 陶瓷/金属梯度热障涂层的多层圆筒模型 图1所示为涂层在内的四层圆筒模型,层1 为纯陶瓷层,层2为陶瓷/金属梯度层,层3为过 渡金属层,层4为基体金属层.采用柱坐标系,r 为径向,z为轴向. 1.2 陶瓷/金属梯度圆筒传热分析的解析解 对图1所示的四层圆筒模型,假设圆筒为无 限长,两端绝热,且处于稳态温度场中.所以圆筒 内各点的温度T与z及时间t无关.由傅里叶热 传导方程写出多层圆筒模型的稳态热传导方程为 d d r [r i(r) d T i(r) d r ]=0 R i-1≤r≤R i,i=1,2,3,4( 1) 图1 陶瓷梯度涂层的多层圆筒模型 将圆筒沿半径方向分成n个薄层,各层厚度 任意,但要求每层内的物性可近似取为常数.假设 内边界的表面传热系数为h a,流体的温度为T f a; 外边界的换热系数为h b,流体的温度为T f b.如果 是第一类边界条件,可将相应的换热系数取为近 似无限大即可.因为每层可以认为是均质的,所以 导热系数在每一层内是常数.设第i层的导热系 数为 i,则由各层界面间的热流连续条件,可导出 圆筒模型内的温度分布为 T(r)=T f a+A(T f b-T f a)( 1 R0h a + ∑s i=1 ln(r i/r i-1) i+ ln(r/r s) s+1)(2)式中 A=[ 1 R0h a+ ∑n i=1 ln(r i/r i-1) i+ 1 R4h b] -1 收稿日期:20020401 刘 杰:男,25岁,硕士,主要研究领域为陶瓷/金属梯度热障涂层、轮机工程仿真与CAD *交通部重点科技项目资助(批准号:95040332)
AIT环境对卫星热控白漆性能影响的试验_胡太彬
2010年10月中国空间科学技术 第5期Chinese Space Science and Technology AIT环境对卫星热控白漆性能影响的试验 胡太彬张伟 (中国空间技术研究院,北京100094) 摘要热控白漆喷涂之后至卫星发射之前需要经过数个月的部件组装和测试(AIT)阶段,AIT环境是否影响热控白漆的性能是一个疑问。将与卫星天线相同热控ACR-1白漆的试验膜放置在AIT环境中,对其吸收率和发射率进行了六次测量。通过测量数据,对比分析了AIT过程中温度、湿度、洁净度等环境因素对热控白漆性能的影响程度。结果表明,在试验周期内,A CR-1白漆的吸收率和发射率变化量不大,对白漆性能可靠性的影响度不明显;洁净度对ACR-1白漆的吸收率影响较大。因此,在AIT阶段卫星环境应保持较高的洁净度。 关键词空间环境热控涂层白漆性能变化卫星 1引言 高可靠长寿命是卫星产品区别于其他产品的重要特点之一,为了保证系统可靠性和寿命满足要求,可靠性工作必须考虑卫星的全寿命周期,对于每一阶段,既要考虑卫星本身的固有特性,还要全面地考虑卫星各级产品所处的各种环境。 卫星的部件组装和测试(Assembly Integ ratio n and T est,AIT)是对卫星进行的系统集成、综合电测、环境试验等工作,它是卫星生产的重要环节,也是卫星作为实际飞行产品经历的首个阶段。卫星在AIT阶段所处的环境与卫星发射和在轨工作阶段的环境是不同的,后者主要考虑力学环境和辐射、电磁干扰、真空热环境等太空环境,而在AIT阶段,卫星所处的环境包含温度、湿度和洁净度等厂房环境[1],还有在电测、试验中的力学环境和其他的模拟空间环境。 热控涂层、多层隔热材料等[2]热控材料是卫星热控分系统所采用的重要材料,其原理是通过调节物体表面涂层的太阳吸收率和发射率来控制物体的温度。一个典型的在轨航天器要经历高低温交变的轨道飞行环境,涂在空间飞行器外表面的热控涂层还要经受高真空、紫外照射、原子氧侵蚀、电子和质子的辐射等空间环境的影响[3]。空间热控涂层的技术水平,是发展长寿命卫星和空间站的制约因素之一[4]。 目前,在卫星研制的可靠性分析工作中,所考虑的环境均是卫星在发射阶段和在轨工作阶段的环境[5-8],而对于AIT阶段的环境对卫星可靠性的影响未见明确的分析。本文利用试验比较的方法,来研究AIT环境对卫星用热控白漆的性能变化影响。 2试验原理 利用试验对比的方法开展AIT环境对ACR-1防静电白漆性能及可靠性影响研究。本文的试验对象为卫星天线,即利用涂有与对象卫星天线相同热控ACR-1白漆的试验膜,在AIT过程中跟踪测量,考察其性能变化,分析AIT过程环境因素对热控材料性能的影响程度。 收稿日期:2009-07-01。收修改稿日期:2010-02-03
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
EB-PVD制备热障涂层完整介绍
电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备热障涂层技术 黄升 摘要：本文介绍电子束物理气相沉积（EB-PVD）制备热障涂层技术，结合发展历程综述其技术原理、设备构造及工艺特点。 关键词：电子束物理气相沉积（EB-PVD）热障涂层 1 引言 当今航空涡扇发动机正朝高流量比、高推重比和高涡轮进口温度方向发展，这就使得发动机叶片所承受温度不断升高，据报道目前商用飞机燃气温度达1500 °C、军用飞机燃气温度高达1700 °C[1]。而当前所使用镍基高温合金最高工作温度只能达到1200 °C，并几乎已达到其使用温度上限，提升空间极其有限。面对发动机使用的高温障碍，降低发动机叶片温度就成了极其关键的任务。热障涂层就是一种降温的有效途径（见图1），自20世纪70年代初问世以来[2]，受到广泛重视并迅速发展成为高温涂层研究的热点[3-8]。 图1 涡轮叶片承温能力 所谓热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）是指由金属缓冲层或者黏结层和耐热性好、隔热性好的瓷热保护功能层组成的层合型金属瓷复合涂层系统[9]。一般由具有一定厚度和耐久性的瓷涂层、金属粘结层和承受机械载荷的合金组成。目前根据不同设计要求热障涂层具有如图2所示双层、多层、梯度系统三种结构形式。 图2 热障涂层结构示意图 而电子束物理气相沉积（Electron bean-physical vapor deposition EB-PVD）制备热障涂层（TBCs）是在20世纪80年代开发，近年来不断发展成熟起来的新技术，其使用高能
电子束加热并汽化瓷源，瓷蒸汽以原子形式沉积到基体上而形成涂层。EB-PVD法制备的TBCs涂层表面光洁，有良好的动力学性能；涂层/基体的界面以冶金结合为主，结合力强，稳定性好。特别是其制备涂层组织为垂直基体表面柱状晶结构，具有很高的应变容限，较热喷涂制备涂层热循环寿命提升巨大。另外EB-PVD工艺技术精密，具有良好的可重复性。 简而言之，EB-PVD法制备热障涂层是兼具优良性能和巨大应用潜力的前沿技术。 2 EB-PVD技术发展历程 EB-PVD技术是伴随着电子束与物理气相沉积技术的发展而发展。直到上世纪中叶，电子束与物理气相沉积技术结合并成功地用于材料焊接及镀膜（或涂层）的制备。20世纪80年代，美国、德国等西方国家开始利用EB-PVD工艺制备热障涂层，但由于该设备在西方国家价格昂贵，且制备成本高，这使得对EB-PVD 技术的开发曾经一度停止[10, 11]。 20世纪50年代，前联对EB-PVD设备和工艺的投入全部集中在乌克兰巴顿焊接研究所，该所设计制造了30多台各种类型的EB-PVD设备。前联解体后，在科学院院士B A Movchen 的领导下，乌克兰巴顿焊接研究所成立了电子束国际中心（International Center for Electron Beam Technologies, ICEBT），并将EB-PVD设备的成本降低到接近西方国家同类设备的1/5。该中心成功地在叶片上制备出热障涂层，现已得到应用。到了上世纪九十年代中期，随着乌克兰巴顿焊接研究所研制的低成本的EB-PVD设备在世界各国的推广，从而掀起了EB-PVD技术的开发的新热潮[12-14]。 鉴于等离子喷涂（APS）涂层表面粗糙度大、孔隙多，难以适应气动性要求高的飞行器发动机涡轮转子叶片，加之APS涂层热稳定性和抗热冲击、热腐蚀性差。因此自20世纪70年代开始国外对EB-PVD制备TBCs开展了大量研究，自20世纪80年代美国、德国均获得可成功的应用[15]。由于EB-PVD TBCs柱状组织结构，能非常牢固地粘接在金属基体上，当基体受热膨胀时，柱状瓷晶体在水平方向具有大膨胀系数与基体匹配，在平面的氏模量较低，可更多地释放热应力，具有较好的抗热冲击性。正是这种高应力容限，使这种TBCs在高应力发动机上成功工作而不致剥落。这种特性是等离子喷涂TBCs不具备的。EB-PVD制备的TBCs在航空航天领域得到了广泛应用并发挥了巨大作用，正常情况下，TBCs可降低金属表面温度50～80 °C，个别高温点降温可达140 °C。 以EB-PVD技术在梯度热障涂层的研究历程中起的作用为例，为了解决金属与瓷热膨胀系数不匹配造成瓷层过早剥落现象，德国和加拿大研究人员最先提出了梯度热障涂层的设想。梯度热障涂层（图3）顶层YSZ（Yttria Stabilized Zironia）瓷层，底层为NiCoCrAlY金属粘接层，在二者之间引入了Al2O3-YSZ 梯度过渡层[16, 17]。该系统中金属粘接层到瓷层为连续过渡，消除了层状结构的明显层间界面，使涂层力学性能由基体向瓷层连续过渡。B A Movchan等人[18]选用Al-Al2O3-YSZ作为梯度过渡材料，利用EB-PVD采用单源多组分蒸发技术制备梯度热障涂层。采用EB-PVD方法制备梯度热障涂层，将在YSZ瓷层形成柱状晶结构，极提高瓷层的容应变能力。当Al2O3和ZrO2共同蒸发时，将在基体上得到具有微观多孔结构的Al2O3-YSZ混合层，可以降低材料的热导率。EB-PVD制备梯度TBC的抗热震性能得到了提高，在1135 °C (24 h)风冷至50 °C的热循环试验条件下，涂层能持续1500 h。
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
功能梯度热障涂层热震表面裂纹_柳彦博
功能梯度热障涂层热震表面裂纹 柳彦博,王全胜,王富耻,马 壮,李东荣 (北京理工大学材料科学与工程学院,北京100081) 摘 要:作为发动机热端部件上使用的功能梯度热障涂层,其热震性能的好坏直接关系到涂层的使用寿命,涂层内部的裂纹在热震环境下的变化是影响其热震性能乃至使用寿命的直接因素。采用YSZ与NiCr CoA lY等离子喷涂制备了功能梯度热障涂层试样,采用扫描电子显微镜对不同次数热震后的涂层表面不同位置进行了观察比较。结果表明,随试样位置及热震次数的不同,表面裂纹存在显著不同;除主裂纹外,会产生二次裂纹;主裂纹与二次裂纹的宽度存在差异。 关键词:功能梯度;热障涂层;热震;表面裂纹;等离子喷涂;隔热 中图分类号:T G166 文献标识码:A 自20世纪80年代,功能梯度材料出现之后,因其具有普通均质材料所不具备的优越物理化学性能而迅速成为世界各国材料研究的焦点之一。采用等离子喷涂技术制备的热障涂层(TBCs)已在热机中获得广泛使用。在实际应用中,热障涂层最显著的特性是要求他在热冲击作用及恶劣工作环境下的耐久性能[1]。热障涂层强调的是隔热能力,而功能梯度材料强调的是从陶瓷到金属的梯度变化,从而实现热学、力学、电学性能的梯度变化,将二者的设计概念结合起来,即可得到既具有较强隔热性能又能大幅度缓和热应力的梯度复合涂层结构[2]。对于热障涂层而言,其抗热震性能是非常重要的性能指标,决定着该涂层的使用寿命。研究发现,导致热障涂层失效的因素有很多,其中主要包括:热应力、涂层制备时的残余应力、ZrO2相变及高温氧化等[3]。热障涂层的失效形式多种多样,有的在涂层表面出现龟裂裂纹,有的出现局部剥落、层间剥落等,其中,大多数失效的根本原因是涂层中的裂纹扩展造成的。控制涂层中裂纹的扩展即可提高涂层的使用寿命,因此,热震环境下涂层裂纹的研究成为重点。在热障涂层的裂纹中,表面裂纹会对涂层隔热能力及使用寿命产生很大影响,研究热震条件下涂层表面裂纹扩展的情况及其机理,对涂层设计及制备具有重要意义。 1 试验方法 1 1 试样制备 本试验中的试样基体材料采用LY12铝合金,其外形尺寸为 36mm 10m m,数量为3组6个,并且配有一定的喷涂夹具。涂层制备利用PRAX-A IR-T AFA公司生产的SG-100等离子喷枪制备,各层喷涂参数如表1所示,喷涂所用主气为氩气(Ar),辅气为氦气(H e)。试验中采用的陶瓷粉末是ZrO2(PSZ),粒度分布范围40~60 m,采用的金属粉末为NiCr CoA lY合金粉,粒度分布范围20~80 m。涂层采用6层梯度结构,涂层总厚度2mm,各层成分及厚度分布参见表2。 表1 功能梯度热障涂层喷涂参数 第1层第2层第3层第4层第5层第6层电流/A800800850850900900 主气(%)1001001001009090 辅气(%)000202030 表2 功能梯度热障涂层结构 第1层第2层第3层第4层第5层第6层ZrO20%20%40%60%80%100% NiCrC oAlY100%80%60%40%20%0%厚度0 3mm0 3mm0 3mm0 3mm0 3mm0 5mm 1 2 热震试验 热震试验采用自行研制的FGM热性能测试仪,该设备采用氧-乙炔火焰喷枪加热,试样表面冷却采用压缩空气,试样底部采用流动自来水连续冷却,表面温度采用红外测温仪测量,基体温度则通过热电偶测量。具体规范为:首先采用氧-乙炔火焰喷枪加热试样表面,当红外测试仪显示涂层表面温度达到1100 时,立即停止加热,移走氧-乙炔火焰喷枪,并且立即采用压缩空气冷却涂层表面,当热电偶显示基体温度降至300 时,停止冷却,1次表面热震试验结束,如要继续进行,则马上采用氧-乙炔火焰喷枪重新加热试样表面,进行上述循环,直到所需热震次数。采用的火焰枪为PRAXAIR公司生产的FP-73型火焰喷枪。本试验中,对3组试样分别进行了30次、50次、100次的单面热震。 1 3 涂层观察 在对3组试样进行温度范围为300~1000 的单面热震后,将试样放置于JSM-5600扫描电镜下对涂层表面观察,观察位置由边缘向中心延伸,观察放大倍数为35倍。 2 试验结果与分析 在对试样进行不同次数的热震后,均未出现剥落现象,说明在该试验条件下未达到涂层的失效极限。涂层表面通过扫描电镜观察发现以下特点: 50 新技术新工艺 热加工工艺技术与装备 2006年 第7期
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。