梯度功能材料的制备与应用及其发展状况.
功能梯度材料组份
功能梯度材料组份功能梯度材料是一种特殊的材料，它在组成成分上呈现出梯度变化的特点。
这种材料的独特性质使其在许多领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍功能梯度材料的组份以及其在不同领域中的应用。
一、功能梯度材料的组份功能梯度材料的组份主要包括两个或多个不同的材料。
这些材料在组份上呈现出梯度变化，即从一个材料逐渐过渡到另一个材料。
这种组份的变化可以是连续的，也可以是离散的。
例如，一种常见的功能梯度材料是由陶瓷和金属组成的。
陶瓷具有优异的耐磨性和耐高温性能，而金属则具有良好的导电性和可塑性。
将这两种材料组合在一起，可以得到既具有良好耐磨性又具有良好导电性的材料。
二、功能梯度材料的应用领域1. 功能梯度材料在航空航天领域中的应用航空航天领域对材料的要求非常高，需要具有轻质、高强度、高温耐受性等特点的材料。
功能梯度材料可以满足这些要求。
例如，在航空发动机中使用功能梯度陶瓷涂层，可以提高发动机的燃烧效率和耐久性。
2. 功能梯度材料在医疗领域中的应用医疗领域对材料的要求也非常严格，需要具有生物相容性、耐腐蚀性等特点的材料。
功能梯度材料可以满足这些要求。
例如，在人工关节中使用功能梯度金属材料，可以提高关节的生物相容性和耐磨性。
3. 功能梯度材料在能源领域中的应用能源领域对材料的要求包括高效转化能源、储能和传输等。
功能梯度材料可以满足这些要求。
例如，利用功能梯度材料制备高效的太阳能电池，可以提高太阳能的转化效率。
4. 功能梯度材料在电子领域中的应用电子领域对材料的要求包括高导电性、低电阻率等。
功能梯度材料可以满足这些要求。
例如，在集成电路中使用功能梯度材料，可以提高电路的性能和稳定性。
三、功能梯度材料的优势功能梯度材料具有以下几个优势：1. 梯度变化的组份可以使材料在不同区域具有不同的性能，从而满足多种需求。
2. 功能梯度材料可以减少不同材料之间的界面应力，提高材料的韧性和可靠性。
3. 功能梯度材料可以实现材料的轻量化，提高材料的性能和效率。
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
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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
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• 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
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• 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。
功能梯度材料
功能梯度材料功能梯度材料（FGM）是一种具有逐渐变化化学成分或结构的材料，其性能在空间上呈现出递增或递减的特点。
这种材料在工程领域中具有广泛的应用，可以有效地解决材料之间的界面问题，提高材料的性能和稳定性。
本文将介绍功能梯度材料的基本概念、制备方法和应用领域。
功能梯度材料的基本概念是指材料的成分或结构在空间上呈现出逐渐变化的特点。
这种逐渐变化可以是化学成分的递增或递减，也可以是结构特征的递增或递减。
通过这种逐渐变化，功能梯度材料可以在不同位置具有不同的性能，从而满足复杂工程环境的需求。
功能梯度材料的制备方法主要包括激光熔覆、沉积成形、化学气相沉积等技术。
其中，激光熔覆是一种常用的制备方法，通过控制激光熔覆过程中的参数，可以实现材料成分和结构的逐渐变化。
沉积成形技术则是利用3D打印等技术，将不同材料逐渐沉积在一起，形成功能梯度结构。
化学气相沉积则是通过控制反应条件和沉积速率，实现材料成分的逐渐变化。
这些制备方法可以灵活地调控功能梯度材料的性能和结构，满足不同工程应用的需求。
功能梯度材料在工程领域中具有广泛的应用。
例如，在航空航天领域，功能梯度材料可以用于制造航天器的热防护结构，提高其耐热性能和抗氧化性能。
在机械制造领域，功能梯度材料可以用于制造高强度、耐磨损的零部件，提高机械设备的使用寿命和稳定性。
在电子器件领域，功能梯度材料可以用于制造高效能、高稳定性的电子元件，提高电子设备的性能和可靠性。
这些应用领域都充分展示了功能梯度材料在工程领域中的重要作用。
总的来说，功能梯度材料是一种具有逐渐变化化学成分或结构的材料，其性能在空间上呈现出递增或递减的特点。
通过灵活的制备方法和广泛的应用领域，功能梯度材料可以有效地解决工程领域中的复杂问题，提高材料的性能和稳定性。
相信随着科学技术的不断进步，功能梯度材料将在更多领域展现出其独特的优势，为人类社会的发展做出更大的贡献。
基于增材制造的功能梯度材料及其结构研究综述
基于增材制造的功能梯度材料及其结构研究综述功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGMs）是一种具有逐渐变化成分、微观结构和性能的材料，近年来受到了广泛的研究和应用。
在增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的支持下，功能梯度材料的研究得到了进一步的发展。
本文将对基于增材制造的功能梯度材料及其结构进行综述，并探讨其在材料科学和工程领域的应用。
一、功能梯度材料的定义和特点功能梯度材料是一种具有逐渐变化组分和性能的材料。
在传统材料中，通常需要在组成、结构和性能方面做出权衡。
而功能梯度材料能够通过调控材料的微观结构和成分的渐变，实现性能的逐渐转变。
功能梯度材料不仅能够更好地满足不同应力和功能要求，还能够提高材料的使用寿命和效能。
二、增材制造技术在功能梯度材料中的应用增材制造技术是一种采用逐层堆叠的方式制造物体的技术。
它不同于传统的切削加工，减少了材料的浪费，提高了制造效率。
在功能梯度材料的研究中，增材制造技术可以实现多种材料的渐变和组合，从而制备出具有特定功能和性能的材料。
通过控制增材制造过程中材料的定向和温度变化，能够实现材料硬度、导热性和导电性的逐渐变化，从而获得更加优良的性能。
三、功能梯度材料的结构设计和优化功能梯度材料的结构设计和优化是功能梯度材料研究的核心内容。
结构设计的关键是为材料的不同部分设计不同的成分和性能，以满足特定的功能要求。
优化设计则是通过数值仿真和实验测试，计算和验证不同结构参数的影响，以寻找最佳的结构配置。
通过结构设计和优化，可以更好地控制功能梯度材料的性能和应用。
四、功能梯度材料的应用领域功能梯度材料具有广泛的应用前景。
在航空航天领域，功能梯度材料可以用于制造高温结构件和隔热材料，提高材料的耐高温性能。
在能源领域，功能梯度材料可以用于制造高效能量转换器件，提高能量转换效率。
在生物医学领域，功能梯度材料可以用于制造仿生器官和组织工程支架，实现更好的生物相容性和组织修复效果。
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
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
功能梯度材料的研究进展及应用前景
１ 功能梯度材料 的制备工艺
传 统 的功 能梯 度材料 的生 产工 艺分 为建立 非
均匀 化 的空 间结构 （ 梯度 工艺 ） 和将 此结构 转化 为
固体 材料 （ 致密 化工 艺 ） 步骤 。梯 度工 艺 可 分 ２个 为 与组成 要素 相关 的 制备 技 术 、 均 匀化 相 关 的 与 制备 技术 和与 分 离相 关 的制 备 技术 ， 随后 通 过 烘 干， 烧结 以及 致 密化 工 艺 等 固化 工艺 生 成 Ｆ Ｍ 。 Ｇ 如粉 末冶 金法 、 注浆 成 型法 、 离心成 型法 等 。随着 科研 人员 对功 能梯 度 材 料 的研 究不 断 深 入 ， 些 一 新 型 的制 备 工 艺不 断 涌 现 。如 电沉积 法 、 相 沉 气 淀法 、 光熔敷 法 、 激 等离 子喷涂 法等 。
１ １ 粉 末冶 金法 ．
度材料的概念， 并很快 引起 了世界各 国极 大的关 注 。美 国 的 ＮＡＳ Ｐ计 划 、 国的 Ｓｎ ｅ 计 划 、 德 ａ ｇｒ 英
国的 ＨＯＴ ＯＬ计 划 和俄 罗斯 的 图一０ ０计 划 都把 ２０ 功 能梯 度材料 及其 相关 制 备技术 作 为重 点关 键技 术来 研 究开 发 。作为 Ｆ ＧＭ 概 念 发 源地 的 日本 更 是在 功 能梯度 材 料 领 域 投 入 了 大 量 的人 力 物 力 ， 相继 设 立 了“ 应 力缓 和材 料 的开 发 基础 技 术 的 热 研究 ” “ 、具有 功 能梯 度 结 构 的能 量 转 换 材 料 的研 究 ” “ 度材 料 物 理 化学 研 究 ” 一 系列 研 究 项 和 梯 等 目。从 材料 物性 数 据 库 、 度 材 料 的组元 和结 构 梯 设计 、 度材 料制 备 和结 构控制 、 度材 料性 能评 梯 梯 价 等多 个方 面展 开 了大 量 的 研 究 ， 在 热 应 力缓 并 和型 Ｆ ＧＭ 和光 电转 换 、 电 变 转 换 梯 度 材 料 上 热 取得 了举 世 瞩 目的成 果 。我 国政府 已把 功能 梯度 材料 的研 究 列 入 国家 “ ６ ” 划 ［ 。功能 梯 度 材 ８３ 计 ３ ］
梯度功能材料发展现状及趋势论文
梯度功能材料发展现状及趋势[摘要] 综述了梯度功能材料的发展历程及各国研究应用现状，并展望了梯度功能材料的发展前景和趋势。
[关键词] 梯度；涂层；制备技术；研究梯度功能材料（fgm）的功能指机械、热、电、光、核、化学或生物等方面的功能。
它的设计思路是：材料的成分沿厚度方向由一侧向另一侧连续变化，使材料性能也连续变化，以减小和克服结合部位性能不匹配的因素。
根据该原理制备的梯度功能材料，从基体到表面的组分和性能都是呈无界面连续渐变的，涂层与基体具有最佳性能匹配，层间结合力较高，在高温或温差变化大的环境下，不会产生突变的热应力，可有效防止涂层剥落。
目前fgm材料研究还处于基础性研究阶段，主要集中在材料设计、制备和材料性能评价三方面。
梯度功能材料的设计一般采用逆设计系统，即根据使用条件对材料的组成和结构梯度分布进行设计。
梯度功能材料的制备过程需严格控制浓度、流量、温度及应力等参数，因此工艺相当复杂。
在梯度功能材料制备研究方面，目前应用的主要制备技术有粉末冶金法、气相沉积法、自蔓延高温合成、热喷涂和铸造法等。
由于梯度功能材料是一种全新的材料，其性能沿某一方向连续变化及功能的多样性，使现有的材料评价的基本原理、测试手段对其不再适用。
梯度功能材料性能评价的目的主要是为进一步优化成分设计，为成分设计数据子库提供实验数据。
目前，梯度功能材料性能评价有定量化试验、热冲击试验、机械强度试验和热疲劳试验等，但评价技术水平还停留在梯度功能材料的物性值实验测定等基础性工作上。
日本在梯度功能材料方面的研究起步较早，日本科技厅于1987年就批准了一个为期五年的关于fgm的研究项目——热应力缓和型梯度功能材料开发基础研究，解决了航天飞机中受2000 k和1000 k 温差的机体和发动机耐热部件的材料问题。
日本在梯度功能材料领域发展速度很快，只用了20年左右的时间就迅速在世界梯度功能材料的生产和应用研究领域占据了非常重要的地位。
目前，据不完全统计，日本至少有四十家左右的公司都在进行梯度功能材料的开发与研究。
梯度功能材料技术介绍
THANKS
感谢观看
应用领域
01
02
03
航空航天
梯度功能材料在航空航天 领域中广泛应用于制造高 性能的航空器和航天器。
汽车工业
在汽车工业中，梯度功能 材料被用于制造高性能的 汽车零部件，提高汽车的 安全性和可靠性。
医疗器械
在医疗器械领域，梯度功 能材料被用于制造高性能 的医疗设备和器械，提高 医疗效果和安全性。
03
航天器结构
在航天器中，梯度功能材料用于制造 结构件，如卫星天线和太阳能电池板 ，以抵抗空间环境中的极端条件。
在汽车工业领域的应用
发动机部件
梯度功能材料用于制造汽车发动机部件，如气缸套和活塞环，以提高发动机效率和耐久性。
轻量化设计
在汽车设计中，梯度功能材料用于制造轻量化零部件，如刹车盘和轮毂，以提高燃油经济性和车辆性 能。
梯度功能材料在力学、热学、光学和生物医学等领域展现出优异的性能，为解决传统材料面临的挑战 提供了新的解决方案。
通过先进的制备技术和结构设计，实现了梯度功能材料性能的可调控性，为个性化需求提供了广阔的应 用前景。
梯度功能材料在能源、环保和可持续发展等领域具有巨大的潜力，为推动社会进步和经济发展做出了重 要贡献。
其他制备方法
• 其他制备方法包括电泳沉积法、喷涂法、溶胶-凝胶 法等。这些方法在梯度功能材料的制备中也有一定 的应用，但相对于上述三种方法而言，其应用范围 和效果有限。
04
梯度功能材料的应用案例
在航空航天领域的应用
航空发动机叶片
梯度功能材料用于制造航空发动机叶 片，能够承受极高的温度和压力，提 高发动机性能和效率。
气相沉积法
气相沉积法是一种利用气态物质在基材上沉积成膜的制备方 法。在梯度功能材料的制备中，可以通过调节沉积过程中的 各种参数，如温度、压力、反应气体流量等，使不同材料在 不同位置以不同的速率沉积，从而形成梯度结构。
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——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(PMPM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。
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。
具有沉积速度快、无需烧结、不受基材截面积大小的限制等优点,尤其适合于大面积表面热障FGM涂层。
2.3激光熔覆法激光熔覆法是随着激光技术的发展而产生的一种新兴的材料制备的方法。
采用高能激光束作为热源辐照基材表面,同时将原料粉末送至基材表面。
原料粉末和基材在激光束作用下共同融化,生成合金相。
改变原料粉末成分含量,重复上述过程,即可获得具有一定梯度的材料。
激光熔覆技术具有很多优点:可以通过混合不同合金粉末进行成分设计,得到完全致密的冶金结合覆层;熔覆层稀释度小,且可精确控制;由于快速加热和冷却过程,激光熔覆层组织均匀致密,微观缺陷少,性能优于其他工艺生产的复合层性能[6]。
该工艺工作快速,但设备成本较高。
2.4气相沉积法气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术,按机理的不同分为物理气相沉积(PVD和化学气相沉积(CVD两类。
2.4.1物理气相沉积(PVD物理气相沉积技术是真空沉积加工中的一个大分支,它是利用蒸发或溅射等物理形式把金属从靶源移走,然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸气粒子沉积到基片或零件的表面以形成膜层。
反应式采用的是与靶源材料性质相同的物质,并按一定的反应要求注入某种气体(例如氮、氧和碳氢化合物气体,使沉积过程起反应而生成化合物膜层[7]。
利用物理气相沉积法,通过改变蒸发源可以合成多层不同的膜。
PVD法沉积温度低,对基材热影响小,但沉积速率低,且不能连续控制成分分布。
2.4.2化学气相沉积(CVDCVD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。
CVD法的优点在于容易实现分散相浓度的连续变化,可使用多元系的原料气体合成复杂的化合物。
采用喷嘴导入气体,能以1mm/h以上的速度成膜,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[2]。
2.5自蔓延高温燃烧合成法自蔓延高温燃烧合成法是一种合成材料的新工艺,它通过加热原料粉局部区域激发引燃反应,反应放出的大量热量依次诱发邻近层的化学反应,从而使反应自动持续地蔓延下去。
具有纯度高、效率高、耗能少、工艺简单等优点。
3梯度功能材料的应用3.1航空航天工程中的应用在航空航天工程中,推进系统发动机中的燃烧气体通常要超过2000℃,对燃烧室壁会产生强烈的热冲击;燃烧室壁的另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用,通常在-200℃左右[1]。
这样,燃烧室壁接触燃烧气体的一侧要承受极高的温度,接触液氢的一侧又要承受极低的温度,一般材料不能满足这一要求。
金属/陶瓷梯度功能材料很好地解决了这一问题,在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化,使两种材料之间不出现界面,从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较好的新功能。
3.2机械工程中的应用基于均值轴承存在着的极限PV值低与使用寿命短两大缺点,设计了梯度自润滑轴承,它通过往基体中添加PbCO3粉末,形成PbCO3/Fe合金粉配比的梯度分布,在烧结过程中PbCO3受热分解产生CO2气体,从而留下孔隙,PbCO3含量不同孔隙率也就不同,轴承的支承面为100%金属,孔隙率最小,而强度最大,摩擦面上为100%PbCO3,孔隙率最大,可以储存更多的润滑剂来维持轴承的自润滑状态。
同时PbCO3分解生成的PbO本身也是一种优良的固体润滑剂。
因此,梯度自润滑轴承与一般的均质含油自润滑轴承相比,极限PV值由2.0MPa·m/s提高到4.0MPa·m/s,使用寿命也提高2倍多。
硬质合金是一种具有高硬度、高强度、耐磨性、耐蚀性和膨胀系数小等一系列优良性能的材料。
在机械工业中广泛应用,如切削刀具、矿山的凿岩工具等,但该材料固有的硬脆性与使用过程中要求有良好的韧性存在矛盾,已成为制约这种材料进一步扩大使用的关键因素。
然而FGM概念使欧美等先进硬质合金生产厂家先后研究出梯度硬质合金,改变了传统硬质合金WC/Co比例不变的模式,其表现为表层Co含量低、硬度高、耐磨性好,而芯部Co含量高、强度大、冲击韧性更好,使合金的强度与韧性得到了很好的协调,当使用这种梯度硬质合金制成凿岩钻齿时,其工作寿命比传统均质硬质合金钻齿提高了3倍[8]。
有研究使用粉末冶金法制得的Al-Si基梯度轻质合金可以大大提高材料的耐磨性[9]。
3.3电磁工程中的应用在电磁工程中,梯度材料具有许多优异的性质,有的能抑制瞬间电流的放大作用,有的剩磁更低,主要用于制作磁盘、永磁体、振荡器等,可以提高产品性能。
3.4生物工程中的应用在生物工程中,许多梯度材料被用作制造牙齿、骨骼、关节、器官和仿生工程制品,具有高的比强度和比模量[10]。
3.5核能及电气工程中的应用在核能及电气工程中,梯度热电能转换材料用作高能热电源热电变换元件、集热器、热发射元件、辐射加热器、发热吸收装置等,具有高的热传导率,高的辐射放热率。
对称型梯度热电材料不仅具有高的热传导率、电绝缘性和优异的平面内导电率,而且具有高的热电转换效率。
梯度耐辐射材料应用于核聚变反应器,具有良好的热应力缓和效率[5]。
4梯度功能材料发展现状及展望4.1梯度功能材料发展现状1984年,日本科学家平井敏雄首先提出了梯度功能材料的新设想和新概念,并展开研究[1]。
日本科学家在1987-1991年的“开发缓和热应力的FGM基础技术研究”项目中,成功地利用这一思想开发出用于日本HOPE卫星小推力火箭引擎用的缓和热应力耐高温材料[11]。
虽然FGM产生的时间并不长,但它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、英国、瑞士等国家都相继开展了FGM 的研究[12]。
我国许多高校及科研院所也相继开展了这方面的研究工作,我国梯度功能材料的研究开发起步较晚,研究手段和方法还不完善,但已取得较大进展。
4.2梯度功能材料研究展望梯度功能材料产生二十多年来,取得了快速的发展,但目前仍处在较低水平阶段。
尤其是国内,在这方面研究起步较晚,总体比较落后,针对性应用目标的研究还不多。
梯度功能材料从研究制备到实际应用还有很多难题要解决。
其发展趋势主要有以下几点。
(1梯度材料设计的数据库(包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等[13]还需要极大地补充、收集和归纳、整理、完善;(2开发大尺寸和复杂形状的FG M制备技术,因为工程中往往需要大型FGM,美国和日本把对大尺寸FG M的开发作为其重要的开发目标[4];(3高分子梯度功能材料的研究。
目前有关梯度材料的研究和应用主要局限于金属、陶瓷及其它无机小分子复合材料领域[14],而高分子梯度功能材料的研究,国内却几乎是一片空白[15]。
高分子材料作为材料学科的重要分支,必将为梯度功能材料的研究发展提供新的思路;(4梯度功能材料成分的精确控制与检测。
利用计算机实时监控梯度功能材料的制备过程,精确控制和测定材料的成分梯度,对产品性能的提高和实际科研应用价值都有很大的帮助。
例如已有研究,用计算机对Al/SiC梯度功能材料进行数值模拟分析,预测评价具有不同梯度的材料相关性质[16];(5梯度功能材料实用化推广,实现理论研究向实际应用的转化。
5结语梯度功能材料的研究还处在较初级的阶段,但它展示出来的巨大的科研和应用价值促使其迅速发展。
梯度功能材料的开发制备已经成为当今材料科学研究中非常重要的一部分,尤其是基于其优异的性能和特殊的功能,在功能材料、新材料领域展现出十分广阔的发展前景。
材料对社会发展和科技进步有着至关重要的作用,作为材料领域中的一员,梯度功能材料必将极大地推进社会科技进步,促进整个国民经济的发展。
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