第十二章_梯度功能材料
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梯度功能材料
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激光熔覆
• 把材料A放到基底B表面上，用激光将其与B基体中 表面薄层一起熔化，在B表面形成B合金化的A层。 • 重复操作，在B表面产生B含量逐渐减少的梯度。 • 梯度变化可通过控制初始A层的数量、厚度及熔区深 度来获得。
激光熔覆将材料A合金化到材料B制备FGM示意图
32
梯度功能材料的应用
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• 功能梯度材料作为一个规范化正式概念，于1984年 由日本国立宇航实差达到1000K以上， 普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。
12
• 1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出 使金属/陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连续变 化的热防护梯度功能材料的概念。 • 1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。
自蔓延高温合成
自蔓延合成材料
28
• 燃烧合成FGM中，整体的宏观梯度通常被保留在 样品中，局部发现在FGM内部存在有限的物质传 输，这种传输使初始存在于反应物粉末压块中的 较陡峭的成分分布在反应后被较平缓的梯度所代 替。 • 日本采用连续成型的电磁加压自蔓延技术合成 TiB2/Cu、TiC/Ni等梯度功能材料。
17
• 金属-陶瓷构成的热应力缓和梯度功能材料，对高 温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，低温侧壁使用 导热和强度好的金属材料。
材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，机 械强度逐渐升高。 热应力在材料两端均很小，在材料中部过渡区达到峰值 (比突变界面的应力峰值小得多)，
具有缓和热应力的功能。
飞机的左翼上有两条清晰的裂纹
35
• 按照基体/陶瓷比率设计具有梯度的金属基/碳基 复合结构可解决上述问题。
设计梯度热防护功能材料
36
• 日本开发了为小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的 梯 度 功 能 材 料 ， 目 前 已 研 制 出 能 耐 1700℃ 的 ZrO2/Ni梯度功能材料，用作马赫数大于20的并可 重复使用的航天飞机机身材料。
梯度功能材料的制备与应用及其发展状况(功能材料论文)
梯度功能材料的制备与应用及其发展状况摘要：近年来，梯度功能材料(FunctionallyGradientMaterials，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、自蔓延高温燃烧法等。
FGM在航空航天、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、特性、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；特性；应用；发展前景梯度功能材料(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]。
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[2],很快引起多个国家宇航领域科技工作者的极大关注,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方面都取得了令人瞩目的成果。
1梯度功能材料制备方法1.1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[3]。
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。
1.2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。
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。
喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例，调节等离子射流的温度及流速，即可调整成分和组织，获得FGM涂层。
梯度功能材料
(1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术； (2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术； (3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技 术）； (4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、 磁特性。
谢谢
• 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。 • 生物的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大差异。有生命的 FGMs是“有智能的”，它们能感受所处环境的变化 (包括局部应 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。
梯度化
梯度功能材料能有效地克服传统复合材料的不足。与传统复合材 料相FGM有如下优势：
1）将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料，可以大大地提高粘结强度；
2）将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力；
3）将FGM用作涂层和界面层可消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力 奇异性；
4）用FGM代替传统的均匀材料涂层，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
梯度功能材料
梯度功能材料简介
目 录
分类及与复合材料的区别 应用领域 未来的发展趋势
引言
梯度功能材料是上世纪八十年代中期开发可往返于太空与陆
地的航天飞机外部用耐热材料而提出的一个崭新的材料概念。 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。 如果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,这就诞生了梯度功材料。
发展
• 1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出使金属 /陶瓷复合材 料的组分、结构和性能呈连续变化的热防护梯度功能材料的概念。 • 1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。
梯度功能材料
梯度功能材料梯度功能材料是指具有渐变性质的功能材料，其物理、化学、结构等性能在空间上呈现出渐变变化的特点。
梯度功能材料是近年来发展起来的一种新型材料，它具有各种优异的性能，可以在许多领域发挥重要作用。
首先，梯度功能材料在力学性能方面具有显著的优势。
由于其物理结构和化学成分在空间上的渐变，梯度功能材料可以实现从硬到软、从脆到韧的过渡。
这对于一些领域，如材料设计、结构工程等非常有意义。
例如，在航天航空领域中，梯度功能材料可以用于制造轻巧但又具有很高抗压、抗弯性能的航天器件。
其次，梯度功能材料在热传导方面也具有独特的优势。
相对于传统材料，梯度功能材料可以实现热导率的逐渐变化。
这对于一些需要控制热传导的应用非常重要。
举个例子，梯度功能材料可以应用于热电子学器件中，以实现热管理和能量转换的最优化。
此外，梯度功能材料在生物医学领域也有广泛的应用。
例如，在组织工程和再生医学中，梯度功能材料可以模拟人体组织的力学性能和结构特点，从而更好地促进生物材料与人体组织的相容性和生物交互性。
此外，梯度功能材料还可以用于医学影像学领域，通过改变材料的渐变特性，实现对特定组织的显影效果。
最后，梯度功能材料还具有其他许多应用潜力。
例如，在能源领域，梯度功能材料可以用于提高储能设备的性能，如电池和超级电容器。
在环境领域，梯度功能材料可以用于制造高效的吸附材料，以去除有害气体和废水中的污染物等。
总而言之，梯度功能材料的出现为各领域的科研和工程应用带来了许多机会。
它的独特性能可以被广泛地应用于力学、热传导、生物医学、能源、环境等领域，为材料科学和工程技术的发展提供了新的思路和方法。
随着研究的深入和进一步的应用开发，相信梯度功能材料将发挥更加巨大的作用。
8.梯度功能材料
32
三、梯度功能材料的研究方法 材料合成
7. 电沉积法：低温下制备FGM的化学方法。 利用电镀的原理,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, 并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度得到 FGM膜或材料.
电镀—在电场的作用下，在电解质溶液（镀液）中由阳极和 阴极构成回路，使溶液中的金属离子沉积到阴极镀件表面上 的过程。
性评价三部分组成。
21
三、梯度功能材料的研究方法 材料设计
FGM的设计：根据实际使用要求,对材料的组成和结
构梯度分布进行设计。
FGM设计主要构成要素:
1)确定结构形状,热力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法, 计算FGM的应
6
一、梯度功能材料的介绍
如果将陶瓷涂敷在耐高温金属的表面制成的复合
材料。
——存在明显的界面, 材料的热膨胀系数、导热
率等性能发生突变。两侧的温差过大,界面处 产生很大的热应力,导致深层裂缝,剥落,使材料 失效。 梯度功能材料发展
7
一、梯度功能材料的介绍
1984 年,日本学者首先提出了FGM 的概 念,其设计思想：
非晶态合金的结构特点
(1)结构长程无序(2)短程有序(3)结构成分均匀性(4) 结 构处于热力学上的非平衡态, 总有进一步转变为稳定晶 态的倾向。
2
主要内容
梯度功能材料的介绍 梯度功能材料的特点及分类 梯度功能材料的研究方法 梯度功能材料的应用
3
一、梯度功能材料的介绍
梯度功能材料( Functionally Graded Materials ,简称FGM)的提出是由于航空航天
三、梯度功能材料的研究方法 材料合成
7. 电沉积法：低温下制备FGM的化学方法。 利用电镀的原理,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, 并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度得到 FGM膜或材料.
电镀—在电场的作用下，在电解质溶液（镀液）中由阳极和 阴极构成回路，使溶液中的金属离子沉积到阴极镀件表面上 的过程。
性评价三部分组成。
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三、梯度功能材料的研究方法 材料设计
FGM的设计：根据实际使用要求,对材料的组成和结
构梯度分布进行设计。
FGM设计主要构成要素:
1)确定结构形状,热力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法, 计算FGM的应
6
一、梯度功能材料的介绍
如果将陶瓷涂敷在耐高温金属的表面制成的复合
材料。
——存在明显的界面, 材料的热膨胀系数、导热
率等性能发生突变。两侧的温差过大,界面处 产生很大的热应力,导致深层裂缝,剥落,使材料 失效。 梯度功能材料发展
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一、梯度功能材料的介绍
1984 年,日本学者首先提出了FGM 的概 念,其设计思想：
非晶态合金的结构特点
(1)结构长程无序(2)短程有序(3)结构成分均匀性(4) 结 构处于热力学上的非平衡态, 总有进一步转变为稳定晶 态的倾向。
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主要内容
梯度功能材料的介绍 梯度功能材料的特点及分类 梯度功能材料的研究方法 梯度功能材料的应用
3
一、梯度功能材料的介绍
梯度功能材料( Functionally Graded Materials ,简称FGM)的提出是由于航空航天
梯度功能材料(钟剑明)
谢谢！
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梯度功能材料
Functional gradient materials (FGM)
背景：
传统的材料设计、制备和评价中，人们往往是追求 材料的均匀性，以达到材料各部分性能的一致，使材料 的性能发挥得最好。后来，复合材料的出现，人们仍然 要求组成复合材料的各部分成分，分布尽量均匀。但是， 在一些特殊场合，需要耐热、耐磨、耐蚀的要求，材料 内部在受到热冲击和热循环时，匀质材料往往达不到所 要求的性能，复合材料由于组成成分物性参数或弹性模 量相差太大，而在界面处产生很大的应力，甚至使之产 生裂纹或剥离。 所以，一种新的材料急需填补空白。
Hale Waihona Puke 采用逆设计方法，根据材料实际使用的工况条件， 得出热力学边界条件，然后从已有的材料合成及性 能知识库中，选择有可能合成的材料组合体系及制 备方法，借助计算机辅助设计和迭代运算，建立准 确的计算模型，求得最全的材料组合、内部组成分 布、微观组织以及合成条件，将获得的结果提交材 料合成部门，根据要求进行梯度功能材料的合成， 合成后的材料经过性能测试的评价，再反馈到材料 设计部门，经过循环迭代设计、制备及评价，从而 研制出实用的梯度功能材料。
1984年，日本材料学家新野正之等人 在研究开发用于 航天飞机和火箭的高温结构材料的过程中，提出了梯度材 料的概念，其为一种成分分布沿一定方向呈梯度变化、性 能也随之呈梯度变化的非匀质新型材料。材料一面采用耐 热、耐蚀的材料，另一面采用具有一定强度和韧性的材料， 由于材料成分分布的梯度性，材料界面处的应力也大大缓 解，提高了结合强度。
梯度功能材料
梯度功能材料
报告人：张倩 专 业：动力工程及工程热物理
2015-10-28
目 录
1 2 3 4 概述 梯度折射率材料
热防护梯度功能材料
梯度功能材料的应用
概述
梯度功能材料（functionally gradient materials,缩写 FGM）是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续 梯度变化的一种新型复合材料，是应现代航天航空 工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境下能 反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。 随着梯度功能材料的研究和发展，其应用不再局 限于宇航工业，已经扩展到核能源、电子材料、光 学工程、化学工业和生物医学工程等领域。
概述
梯度功能材料的主要特征：
1.材料的组分和结构呈连续梯度变化 2.材料内部没有明显的界面 3.材料的性质也相应呈连续梯度变化
材料组合方式：
1.金属/陶瓷 2.金属/非金属 3.陶瓷/陶瓷 4.陶瓷/非金属 5.非金属/塑料
梯度折射率材料
梯度折射率材料是一种非匀质材料，它的组分和 结构在材料内部按一定规律连续变化，从而使折射 率也相应地持续变化。 无机材料（如：玻璃梯折材料） 梯度折射率材料
热防护梯度功能材料
热防护梯度功能材料的设计
使金属和陶瓷的组分和结构呈连续变化，从而物性 参数也呈连续变化的复合材料。
热防护梯度功能材料
过程：
热力学边界条件
热防护梯度功能材料的设计
选择材料组合体系、制备方法
材料体系物理参数
温度分布模拟和热应力模拟
结果提交材料合成部门
热防护梯度功能材料
热防护梯度功能材料的种类
梯度功能材料的应用
2.作梯度折射光学材料
梯度折射率透镜
大大减小组件总数 和非球面组件总数、 简化结构
报告人：张倩 专 业：动力工程及工程热物理
2015-10-28
目 录
1 2 3 4 概述 梯度折射率材料
热防护梯度功能材料
梯度功能材料的应用
概述
梯度功能材料（functionally gradient materials,缩写 FGM）是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续 梯度变化的一种新型复合材料，是应现代航天航空 工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境下能 反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。 随着梯度功能材料的研究和发展，其应用不再局 限于宇航工业，已经扩展到核能源、电子材料、光 学工程、化学工业和生物医学工程等领域。
概述
梯度功能材料的主要特征：
1.材料的组分和结构呈连续梯度变化 2.材料内部没有明显的界面 3.材料的性质也相应呈连续梯度变化
材料组合方式：
1.金属/陶瓷 2.金属/非金属 3.陶瓷/陶瓷 4.陶瓷/非金属 5.非金属/塑料
梯度折射率材料
梯度折射率材料是一种非匀质材料，它的组分和 结构在材料内部按一定规律连续变化，从而使折射 率也相应地持续变化。 无机材料（如：玻璃梯折材料） 梯度折射率材料
热防护梯度功能材料
热防护梯度功能材料的设计
使金属和陶瓷的组分和结构呈连续变化，从而物性 参数也呈连续变化的复合材料。
热防护梯度功能材料
过程：
热力学边界条件
热防护梯度功能材料的设计
选择材料组合体系、制备方法
材料体系物理参数
温度分布模拟和热应力模拟
结果提交材料合成部门
热防护梯度功能材料
热防护梯度功能材料的种类
梯度功能材料的应用
2.作梯度折射光学材料
梯度折射率透镜
大大减小组件总数 和非球面组件总数、 简化结构
梯度功能材料
注意： 梯度材料与合金材料、复合材料的区别
材料 设计思想 组织结构 结合方式 微观组织 宏观组织 功能 混杂材料 复合材料 梯度材料
分子、原子级水 组分优点的复 特殊功能为目 平合金化 合 标 0.1nm-0.1m 0.1m-1m 10nm-10mm 分子间力/物 理键/化学键 均质/非均质 非均质 梯度化 化学键、物理键 分子间力 均质/非均质 均质 一致 非均质 均质 一致
• 下列梯度功能材料是什么组合方式？
枪
萤 火 一 号
柴油机的活塞头
• 2）组成变化上分： • （1）梯度功能整体型(从一侧到另一侧组成梯度 变化) • （2）梯度功能涂履型(涂层的组成梯度变化) • （3）梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化) • 3）功能上分： • （1）热防护梯度功能材料 • （2）折射率梯度 • 时间很早很早~~~~~~~~~不解释
不用或没用好的后果：很严重
哥 伦 比 亚 号
梯度功能材料的特点与分类
• 梯度功能材料的特点 • 1）组分、结构和性能均呈连续梯度变化 。 • 2）内部无明显的界面。
• 梯度功能材料分类 • 1） 组合方式上分： • 金属/金属 • 金属／陶瓷、 • 金属／非金属、 • 陶瓷／陶瓷、 • 陶瓷／非金属 • 非金属／塑料
通信二班
刘文龙
1004220227
序：
梯度功能材料： 是两种或多种材料复合成组分和结构呈梯 变化的一种新型复合材料；它要求功能、 性能随内部位置的变化而变化，实现功能 梯度的材料。
实际应用：
• 厨房用刀
匕首
航天：
可怜的萤火一号
12.1 梯度功能材料及其特点
梯度功能材料的提出
功能梯度材料（Functionally Graded Materials, 以下简称FGM）的概念是由日本材料学家新野 正之、平井敏雄和渡边龙三等于1987（pay attention!!!)年提出。FGM就是为了适应新材料 在高技术领域的需要,满足在极限温度环境(超高 温、大温度落差)下不断反复正常工作而开发的 一种新型复合材料。如图所示，在金属底层与热 障工作层之间引入成分过渡层，消除涂层中的宏 观界面，合成一种非均一的复合材料，其机械、 物理、化学特性是连续变化的，没有突出，缓和 了涂层中的热应力等，成为可以应用于高温环境 的新一代功能材料。
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单一和复合功能渐变的非均质材料。
1.金属强度高、韧性好，但不耐高温和腐蚀；陶瓷耐高温、 抗腐蚀，但脆性大，不耐冲击。 2.但普通的粘结或组合技术，由于两者界面的热胀系数不 同，而产生很大的热应力，引起剥离、开裂和脱落，造成材料
的损坏。
3.梯度功能材料是一种使金属和陶瓷的组分和结构呈连续 变化，从而物性参数也呈连续变化的复合材料。
一种新型复合材料；它的设计要求功能、性能随机件内部位
置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。
12.1.2
梯度功能材料的特点与分类
（一） 主要特征：
(ⅰ) 材料的组分和结构呈连续梯度变化。 (ⅱ) 材料内部没有明显的界面。 (ⅲ) 材料的性质也相应呈连续梯度变化。
梯度功能材料是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚
热防护梯度功能材料的设计
热防护梯度功能材料早期提出的应用目标主要
是用作航天飞机和宇宙飞船的发动机材料和壳体材 料。普通的陶瓷、金属和复合材料的机械强度、耐 热性、耐热循环性和寿命都很难满足要求。
（一）设计思想：
它以缓和热应力和耐热、隔热以及耐腐蚀等
为目的，使材料的构成要素(组成、结构、结合形
式等)从一侧向另一侧呈现连续性变化，从而得到
图12-1 梯度热防护功能材料设计概念
金属和陶瓷的组分和结构呈连续变化，从而物性参数也呈连续变化。高 温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，低温侧壁使用导热和强度好的金属材料； 材料从陶瓷过渡到金属的过程中，其耐热性逐渐降低，机械强度逐渐升高， 热应力在材料两端均很小，在材料中部达到峰值，从而具有热应力缓和功能。
热冲击评价和热疲劳评价。
12.3
梯度折射率材料
• 折射率梯度类型
• 梯度折射率材料的制法
12.3.1
折射率梯度类型
在传统的光学系统中，各种光学元件所用的材料都是均
质的，每个元件内部各处的折射率为常数。
梯度折射率材料则是一种非均质材料，它的组分和结构
在材料内部按一定规律连续变化，从而使折射率也相应地呈
特点：可以通过选择合成温度，调节原料气的流量和压力等来
控制FGM各成分的组分比和结构，而且可镀复杂形状的表面材 料，沉积面光滑致密，沉积率高，因而成为制备复杂结构的 FGM的表观涂层关键技术之一。
c.物理-化学气相沉积 (PVD-CVD)
综合了PVD法和CVD法的优点。CVD法的沉积 温度一般高于 PVD法的沉积温度，故在基体的低温
合物等)、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，实现某一特殊功能的一类 新型材料。
表12-1 梯度功能材料与混杂材料和复合材料的比较
梯度功能材料能够以几种方式来改善一个构件的热机械特征：
(ⅰ) 热应力值可减至最小，而且适宜地控制热应力达到峰 值的临界位置；
1.局部热应力评价
采用激光和超声波的方法来评价局部热应力的分布和 大小。
2.热屏蔽性能评价
通过高温落差基础试验和模拟实际环境下的隔热性
能和耐久性试验，来评价梯度功能材料的热屏蔽性能。
3.破坏强度评价
在2000K以上的环境中，测定其破坏强度，以考察梯
度功能材料的耐超高温的机械强度。它包括断裂强度评价、
等离子体放电烧结（SPS） 是日本最近几年开发的一 种 新型陶瓷烧结工艺技术。 SPS法具有内部加热和快速升
温特 点，可用于需要抑制晶粒生长的烧结，也可以通过模
具设计 来实现温度梯度，从而满足梯度功能材料烧结工艺
的需要。 利用SPS法来烧结Si3N4、 SiC、Al2O3、ZrO2陶
瓷和Ti-Al 系金属间化合物等。 东北大学已利用SPS烧 结成 功地制备了金属——陶瓷系和高分子—陶瓷系梯度功能 材 料。
(ⅵ) 通过逐级的或连续的梯度可以方便地在延性基底上沉
积厚的脆性涂层(厚度一般大于1mm)；
(ⅶ) 通过调整表面层成分中的梯度，可消除表面锐利压
痕根部的奇异场，或改变压痕周围的塑性变形特征。
（二）梯度功能材料分类 1.组合方式上：
金属／陶瓷、金属／非金属、陶瓷／陶瓷、陶瓷／非金
属以及非金属／塑料等多种结合方式；
• 如果折射率从边缘到轴心连续增加，就是自聚焦 透镜，相当于普通凸透镜。
• 如果折射率从边缘到轴心连续降低，就是自发散 透镜相当于凹透镜。
θ
1
n1
θ
n2
2
2.轴向梯度折射率材料
• • 其折射率沿圆柱形材料的轴向呈梯度变化； 它的等折射率面是材料的横截面。
3.球向梯度折射率材料
• 其折射率对称于球内某点而分布，这个对称中心可以是
变化。
a.物理气相沉积法(PVD) 通过加热等物理方法使源物质(如金属等)蒸发， 进而使蒸气沉积在基体上成膜。
特点：可以制得多层不同物质的膜，但用该法制得的膜较
薄，且每层膜只能是某种物质。
b.化学气相沉积法(CVD) 通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定的
条件下发生化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积。
航空航天事业的快速发展，对材料的机械性能 提出越来越苛刻的要求。例如，当航天飞机往返大气层，
飞行速度超过25马赫兹时，其表面温度高达2000℃。而燃 烧室的温度更高，燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热 流量大于5MW／rn2，其空气入口的前端热通量达50MW／ m2，对如此巨大热量必须采取冷却的措施，因此燃烧室壁内
方法有：实测法、复合法则法和微观力学法。
复合法则法：P＝k1P1＋k2P2＋k1k2Q12
式中：P1——组分1的物性参数；
P2——组分2的物性参数； k1——组分1的体积分数； k2——组分2的体积分数
P——梯度功能材料的物性参数 ；
Q12——与k1、P1、k2、P2有关的函数
表示组成的梯度变化的分布函数形式的选择直接影响梯
图12-3 金属-陶瓷界面 上的应力分布（单位： 1/100MPa） （a）无梯度； （b）有梯度
12.2.2 热防护梯度功能材料的制备方法
图12-4 制作 方法的分类
1.气相沉积法
分为：物理气相沉积(PVD)法、化学气相沉积 (CVD)法和物理-化学气相沉积(PVD-CVD)法，
优点：不用烧结，沉积层致密牢固，组成可连续
将金属和陶瓷粉末掺入微量胶粘剂、分散剂等，用振
动磨制成泥浆，并脱除气泡压成薄膜，然后将这些不同成
分和结构的薄膜进行叠层、烧结。
12.2.3 热防护梯度功能材料的特征评价
由于其组成和性能是呈梯度变化的，因此不能采用一般
常规的测试方法。目前尚无统一的标准。以下是日本热防护
梯度功能材料评价小组提出了三个方面包括六项材料特性的 评价，简介如下：
（一）类型：
• 径向梯度折射率材料 • 轴向梯度折射率材料 • 球向梯度折射率材料
1.径向梯度折射率材料
• • 径向梯度折射率材料是圆棒状的。 它的折射率沿垂直于光轴的半径从中心到边缘连续变化。
•
等折射率面是以光轴为对称轴的圆柱面。
沿垂直于光轴方向截取一定长度的梯度折射率棒两端 加工成平面，就制成一个梯度折射率棒透镜。光线在镜内 以正弦曲线的轨迹传播。
(ⅱ) 对于一给定的热机械载荷作用．推迟塑性屈服和失效 的发生；
(ⅲ) 抑制自由边界与界面交接处的严重的应力集中和奇异 性； (ⅳ) 与突变的界面相比，可以通过在成分中引入连续的或 逐级的梯度来提高不同固体(如金属和陶瓷)之间的界面结合 强度；
(ⅴ) 可以通过对界面的力学性能梯度进行调整来降低裂纹 沿着或穿过一个界面扩展的驱动力；
优点：操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高
缺点：材料致密度低
改进：(提高密度)
•
• 电磁加压自蔓延技术合成TiB2／Cu系梯度功能材料； 自蔓延和热等静压相结合，研制了成分为TiC／TiC+10％
Ni/ TiC +20％Ni／TiC+30％Ni 的大型梯度功能TiC／Ni材料； • 爆炸压实生坯和自蔓延高温合成技术制备了A12O3／Ti系梯
侧采用PVD法，高温侧采用CVD法。
例如：Ti／TiC、Ti／TiN、Ti／TiAlN和SiC／C／TiC等
2.等离子喷涂法
基本原理：
使用粉末状物质作为喷涂材料，以氮气、氩气等气体为
载体，吹入等离子射流中，粉末在被加热熔融后进一步加速， 以极高速度冲撞在基材表面形成涂层。 关键：精确控制组分比、喷涂压力、喷涂速度和喷涂颗粒的 粒度等参数，以调整FGM的组织结构和成分。 要求：材料不能分解
球心，也可以不是；
• 它的等折射率面是同心球面。 1854年麦克斯韦提出了球面梯度透镜的设想，即著名的 Maxwell鱼眼透镜。1985年祝颂来等人报导了一种直径约5mm 的玻璃梯度折射率球，1986年Koike等人报导了直径为0.05～
3mm的高分子梯度折射率球。
（二）制得光学元件： 径向梯度折射率棒透镜、轴向梯度折射率棒透镜、 球向梯度折射率球透镜、平板透镜 (见图12-6)、平板 微透镜阵列(见图12-7)、梯折光波导元件(见图12-8)
度功能材料（理论密度从82％～94％ ）
4.颗粒梯度排列法
优点：比较适合制备大体积的梯度材料， 缺点：工艺比较复杂，制品有一定的孔隙率，尺寸
受模具限制。
a.颗粒直接填充法：
将金属、陶瓷或晶须等的粒子(粒度约为0.1微米至几
十微米)，按一定的梯度分布直接填充到模具中经过加压、
烧结而成；
b.薄膜叠层法：
3.自蔓延高温合成法
基本原理：
将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化填充，加压压实，从成
形体的一端点火燃烧，反应自行向另一端传播，利用粉末状混
合物间化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材料烧结和
合成。
特点：利用高放热反应的能量使化学反应自动持续下去，最
1.金属强度高、韧性好，但不耐高温和腐蚀；陶瓷耐高温、 抗腐蚀，但脆性大，不耐冲击。 2.但普通的粘结或组合技术，由于两者界面的热胀系数不 同，而产生很大的热应力，引起剥离、开裂和脱落，造成材料
的损坏。
3.梯度功能材料是一种使金属和陶瓷的组分和结构呈连续 变化，从而物性参数也呈连续变化的复合材料。
一种新型复合材料；它的设计要求功能、性能随机件内部位
置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。
12.1.2
梯度功能材料的特点与分类
（一） 主要特征：
(ⅰ) 材料的组分和结构呈连续梯度变化。 (ⅱ) 材料内部没有明显的界面。 (ⅲ) 材料的性质也相应呈连续梯度变化。
梯度功能材料是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚
热防护梯度功能材料的设计
热防护梯度功能材料早期提出的应用目标主要
是用作航天飞机和宇宙飞船的发动机材料和壳体材 料。普通的陶瓷、金属和复合材料的机械强度、耐 热性、耐热循环性和寿命都很难满足要求。
（一）设计思想：
它以缓和热应力和耐热、隔热以及耐腐蚀等
为目的，使材料的构成要素(组成、结构、结合形
式等)从一侧向另一侧呈现连续性变化，从而得到
图12-1 梯度热防护功能材料设计概念
金属和陶瓷的组分和结构呈连续变化，从而物性参数也呈连续变化。高 温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，低温侧壁使用导热和强度好的金属材料； 材料从陶瓷过渡到金属的过程中，其耐热性逐渐降低，机械强度逐渐升高， 热应力在材料两端均很小，在材料中部达到峰值，从而具有热应力缓和功能。
热冲击评价和热疲劳评价。
12.3
梯度折射率材料
• 折射率梯度类型
• 梯度折射率材料的制法
12.3.1
折射率梯度类型
在传统的光学系统中，各种光学元件所用的材料都是均
质的，每个元件内部各处的折射率为常数。
梯度折射率材料则是一种非均质材料，它的组分和结构
在材料内部按一定规律连续变化，从而使折射率也相应地呈
特点：可以通过选择合成温度，调节原料气的流量和压力等来
控制FGM各成分的组分比和结构，而且可镀复杂形状的表面材 料，沉积面光滑致密，沉积率高，因而成为制备复杂结构的 FGM的表观涂层关键技术之一。
c.物理-化学气相沉积 (PVD-CVD)
综合了PVD法和CVD法的优点。CVD法的沉积 温度一般高于 PVD法的沉积温度，故在基体的低温
合物等)、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，实现某一特殊功能的一类 新型材料。
表12-1 梯度功能材料与混杂材料和复合材料的比较
梯度功能材料能够以几种方式来改善一个构件的热机械特征：
(ⅰ) 热应力值可减至最小，而且适宜地控制热应力达到峰 值的临界位置；
1.局部热应力评价
采用激光和超声波的方法来评价局部热应力的分布和 大小。
2.热屏蔽性能评价
通过高温落差基础试验和模拟实际环境下的隔热性
能和耐久性试验，来评价梯度功能材料的热屏蔽性能。
3.破坏强度评价
在2000K以上的环境中，测定其破坏强度，以考察梯
度功能材料的耐超高温的机械强度。它包括断裂强度评价、
等离子体放电烧结（SPS） 是日本最近几年开发的一 种 新型陶瓷烧结工艺技术。 SPS法具有内部加热和快速升
温特 点，可用于需要抑制晶粒生长的烧结，也可以通过模
具设计 来实现温度梯度，从而满足梯度功能材料烧结工艺
的需要。 利用SPS法来烧结Si3N4、 SiC、Al2O3、ZrO2陶
瓷和Ti-Al 系金属间化合物等。 东北大学已利用SPS烧 结成 功地制备了金属——陶瓷系和高分子—陶瓷系梯度功能 材 料。
(ⅵ) 通过逐级的或连续的梯度可以方便地在延性基底上沉
积厚的脆性涂层(厚度一般大于1mm)；
(ⅶ) 通过调整表面层成分中的梯度，可消除表面锐利压
痕根部的奇异场，或改变压痕周围的塑性变形特征。
（二）梯度功能材料分类 1.组合方式上：
金属／陶瓷、金属／非金属、陶瓷／陶瓷、陶瓷／非金
属以及非金属／塑料等多种结合方式；
• 如果折射率从边缘到轴心连续增加，就是自聚焦 透镜，相当于普通凸透镜。
• 如果折射率从边缘到轴心连续降低，就是自发散 透镜相当于凹透镜。
θ
1
n1
θ
n2
2
2.轴向梯度折射率材料
• • 其折射率沿圆柱形材料的轴向呈梯度变化； 它的等折射率面是材料的横截面。
3.球向梯度折射率材料
• 其折射率对称于球内某点而分布，这个对称中心可以是
变化。
a.物理气相沉积法(PVD) 通过加热等物理方法使源物质(如金属等)蒸发， 进而使蒸气沉积在基体上成膜。
特点：可以制得多层不同物质的膜，但用该法制得的膜较
薄，且每层膜只能是某种物质。
b.化学气相沉积法(CVD) 通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定的
条件下发生化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积。
航空航天事业的快速发展，对材料的机械性能 提出越来越苛刻的要求。例如，当航天飞机往返大气层，
飞行速度超过25马赫兹时，其表面温度高达2000℃。而燃 烧室的温度更高，燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热 流量大于5MW／rn2，其空气入口的前端热通量达50MW／ m2，对如此巨大热量必须采取冷却的措施，因此燃烧室壁内
方法有：实测法、复合法则法和微观力学法。
复合法则法：P＝k1P1＋k2P2＋k1k2Q12
式中：P1——组分1的物性参数；
P2——组分2的物性参数； k1——组分1的体积分数； k2——组分2的体积分数
P——梯度功能材料的物性参数 ；
Q12——与k1、P1、k2、P2有关的函数
表示组成的梯度变化的分布函数形式的选择直接影响梯
图12-3 金属-陶瓷界面 上的应力分布（单位： 1/100MPa） （a）无梯度； （b）有梯度
12.2.2 热防护梯度功能材料的制备方法
图12-4 制作 方法的分类
1.气相沉积法
分为：物理气相沉积(PVD)法、化学气相沉积 (CVD)法和物理-化学气相沉积(PVD-CVD)法，
优点：不用烧结，沉积层致密牢固，组成可连续
将金属和陶瓷粉末掺入微量胶粘剂、分散剂等，用振
动磨制成泥浆，并脱除气泡压成薄膜，然后将这些不同成
分和结构的薄膜进行叠层、烧结。
12.2.3 热防护梯度功能材料的特征评价
由于其组成和性能是呈梯度变化的，因此不能采用一般
常规的测试方法。目前尚无统一的标准。以下是日本热防护
梯度功能材料评价小组提出了三个方面包括六项材料特性的 评价，简介如下：
（一）类型：
• 径向梯度折射率材料 • 轴向梯度折射率材料 • 球向梯度折射率材料
1.径向梯度折射率材料
• • 径向梯度折射率材料是圆棒状的。 它的折射率沿垂直于光轴的半径从中心到边缘连续变化。
•
等折射率面是以光轴为对称轴的圆柱面。
沿垂直于光轴方向截取一定长度的梯度折射率棒两端 加工成平面，就制成一个梯度折射率棒透镜。光线在镜内 以正弦曲线的轨迹传播。
(ⅱ) 对于一给定的热机械载荷作用．推迟塑性屈服和失效 的发生；
(ⅲ) 抑制自由边界与界面交接处的严重的应力集中和奇异 性； (ⅳ) 与突变的界面相比，可以通过在成分中引入连续的或 逐级的梯度来提高不同固体(如金属和陶瓷)之间的界面结合 强度；
(ⅴ) 可以通过对界面的力学性能梯度进行调整来降低裂纹 沿着或穿过一个界面扩展的驱动力；
优点：操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高
缺点：材料致密度低
改进：(提高密度)
•
• 电磁加压自蔓延技术合成TiB2／Cu系梯度功能材料； 自蔓延和热等静压相结合，研制了成分为TiC／TiC+10％
Ni/ TiC +20％Ni／TiC+30％Ni 的大型梯度功能TiC／Ni材料； • 爆炸压实生坯和自蔓延高温合成技术制备了A12O3／Ti系梯
侧采用PVD法，高温侧采用CVD法。
例如：Ti／TiC、Ti／TiN、Ti／TiAlN和SiC／C／TiC等
2.等离子喷涂法
基本原理：
使用粉末状物质作为喷涂材料，以氮气、氩气等气体为
载体，吹入等离子射流中，粉末在被加热熔融后进一步加速， 以极高速度冲撞在基材表面形成涂层。 关键：精确控制组分比、喷涂压力、喷涂速度和喷涂颗粒的 粒度等参数，以调整FGM的组织结构和成分。 要求：材料不能分解
球心，也可以不是；
• 它的等折射率面是同心球面。 1854年麦克斯韦提出了球面梯度透镜的设想，即著名的 Maxwell鱼眼透镜。1985年祝颂来等人报导了一种直径约5mm 的玻璃梯度折射率球，1986年Koike等人报导了直径为0.05～
3mm的高分子梯度折射率球。
（二）制得光学元件： 径向梯度折射率棒透镜、轴向梯度折射率棒透镜、 球向梯度折射率球透镜、平板透镜 (见图12-6)、平板 微透镜阵列(见图12-7)、梯折光波导元件(见图12-8)
度功能材料（理论密度从82％～94％ ）
4.颗粒梯度排列法
优点：比较适合制备大体积的梯度材料， 缺点：工艺比较复杂，制品有一定的孔隙率，尺寸
受模具限制。
a.颗粒直接填充法：
将金属、陶瓷或晶须等的粒子(粒度约为0.1微米至几
十微米)，按一定的梯度分布直接填充到模具中经过加压、
烧结而成；
b.薄膜叠层法：
3.自蔓延高温合成法
基本原理：
将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化填充，加压压实，从成
形体的一端点火燃烧，反应自行向另一端传播，利用粉末状混
合物间化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材料烧结和
合成。
特点：利用高放热反应的能量使化学反应自动持续下去，最