功能梯度材料(FGM)
功能梯度材料有限宽板反平面断裂问题的理论研究的开题报告
功能梯度材料有限宽板反平面断裂问题的理论研究的开题报告一、研究背景和意义功能梯度材料（FGM）是一种组成材料性质连续变化的材料，具有独特的性能和应用价值。
由于其在横向方向上分层结构的独特性质，FGM在结构设计、机械制造、能源利用、环境保护等领域具有广泛的应用前景。
然而，FGM在应用过程中存在着固有的力学问题，其中最突出的是其在反平面（out-of-plane）载荷作用下的断裂问题。
FGM有限宽板反平面断裂问题研究是FGM研究的一个重要方向，对于提高FGM 的整体力学性能和设计优化具有重要意义。
当前研究主要局限在有限宽板的线性和不稳定断裂问题上，对于非线性和非稳态断裂问题的理论研究较为缺乏。
因此，对于FGM有限宽板反平面断裂问题的理论分析和数值模拟成为了当前的重要研究方向。
二、研究内容和目标本论文主要研究基于等效线性化方法的FGM有限宽板反平面断裂问题的理论解析和数值模拟。
本研究将结合实验数据和数值模拟结果，从宏观和微观层面对FGM有限宽板在反平面载荷下的力学响应进行系统、深化的研究。
研究目标包括：（1）建立FGM有限宽板反平面断裂问题的理论模型和数值模拟模型；（2）基于等效线性化方法和微观力学原理，探究FGM有限宽板在反平面载荷下的力学响应及断裂机理；（3）通过对实验数据和数值模拟结果的比较和分析，验证理论模型和数值模拟的准确性和可靠性；（4）提出针对FGM有限宽板反平面断裂问题的结构设计和优化方案。
三、研究方法和路线本研究将采用以下方法和路线：（1）文献综述：对FGM有限宽板反平面断裂问题的研究历史、现状、存在的问题进行综述，以便建立起研究的基础和框架。
（2）理论模型建立：建立FGM有限宽板反平面断裂问题的理论模型，包括结构设计和材料参数确定。
（3）数值模拟模型建立：通过ABAQUS等有限元软件建立FGM有限宽板反平面断裂问题的数值模拟模型，模拟板材在反平面载荷下的破坏。
（4）等效线性化方法：采用等效线性化方法求解FGM有限宽板反平面断裂问题的线性化解析，分析其断裂机理。
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。
功能梯度材料组份
功能梯度材料组份功能梯度材料（Functionally Graded Materials，简称FGMs）是一类具有不同成分和性质的材料，其成分和性质随着空间位置的改变而逐渐变化。
这种材料在近年来得到了广泛的研究和应用，其独特的特性使其在多个领域有着重要的应用前景。
一、功能梯度材料的组份功能梯度材料的组份包括两个或多个不同的材料，这些材料在空间分布上呈现出一定的规律。
常见的功能梯度材料的组份有以下几种：1. 金属-陶瓷组份：金属和陶瓷是功能梯度材料中常见的组份。
金属具有良好的导电性和导热性，而陶瓷具有优异的抗磨损性和耐高温性。
将金属和陶瓷组合在一起，可以制造出具有导热性和抗磨损性的材料，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
2. 陶瓷-陶瓷组份：陶瓷材料具有优异的绝缘性能和耐腐蚀性能，但其韧性较差。
通过将不同种类的陶瓷材料组合在一起，可以实现材料性能的优化。
例如，将高韧性的陶瓷材料与高强度的陶瓷材料组合，可以制造出具有较好韧性和强度的材料，被广泛应用于医疗领域。
3. 金属-高分子材料组份：金属和高分子材料具有不同的性质，通过将它们组合在一起，可以制造出具有金属的导电性和高分子材料的机械性能的材料。
这种材料在电子领域有着重要的应用，如柔性电子器件的制备。
4. 陶瓷-高分子材料组份：陶瓷和高分子材料组合在一起，可以实现材料性能的多样化。
陶瓷具有优异的耐磨损性和耐高温性，而高分子材料具有良好的可塑性和韧性。
将它们组合在一起，可以制造出具有耐磨损性和可塑性的材料，被广泛应用于汽车制造、航空航天等领域。
5. 金属-陶瓷-高分子材料组份：将金属、陶瓷和高分子材料三者组合在一起，可以实现材料性能的多样化。
这种材料在医疗领域有着广泛的应用，如人工关节等。
二、功能梯度材料的应用功能梯度材料由于其独特的组份和性质分布，被广泛应用于各个领域。
以下是功能梯度材料的一些应用示例：1. 高温结构材料：功能梯度材料在高温环境下具有良好的耐热性能和机械性能，被广泛应用于航空航天、能源等领域。
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。
功能梯度材料
功能梯度材料功能梯度材料（Functionally Graded Materials，FGMs）是一种独特的组织结构，具有不同材料性能的连续变化。
这种材料可以根据需求在不同区域具备不同的性能，具有广泛的应用潜力。
功能梯度材料的核心思想是利用不同材料的优势，通过逐渐过渡的方式将它们结合起来。
这样，在材料内部形成了一种材料性能随位置变化的梯度。
一般情况下，FGMs通过改变材料成分、晶格结构或孔隙分布来实现性能梯度的变化。
功能梯度材料的主要优势之一是优化材料的性能。
由于不同区域的性能可以根据需求进行调节，所以功能梯度材料可以在同一件材料中实现多种性能要求。
例如，可以在一个功能梯度材料中将刚性材料和韧性材料结合起来，以提高整体的强度和韧性。
另一个优势是优化材料的适应性和可靠性。
功能梯度材料的性能梯度可以使材料更好地适应不同环境的要求。
例如，可以在外部表面附近使用耐腐蚀材料，而在内部使用高强度材料。
这样可以增强材料的耐久性和可靠性。
功能梯度材料还具有优化材料的权衡性能的能力。
例如，对于某些应用，需要同时具备高温耐久性、热导率和机械性能。
通过在材料内部形成性能梯度，可以在不同区域平衡这些性能要求，达到最佳的综合性能。
此外，功能梯度材料还可以实现一些特殊功能。
例如，通过调整电子、热子、声子或离子的传输特性，可以实现功能梯度材料在导电、绝缘、热传导或声学传导方面的特殊性能。
这为多种应用提供了新的可能性，如光电子器件、传感器和能量转换器件等。
尽管功能梯度材料具有广泛的应用潜力，但其设计和制备仍然面临挑战。
目前，多数功能梯度材料的制备方法仍然较为复杂和昂贵，限制了其在大规模应用中的应用。
同时，材料性能梯度的设计和优化也需要更深入的理论和实验研究。
综上所述，功能梯度材料是一种具有多种优势和潜力的材料。
它可以实现性能的优化、适应性和可靠性的提高，同时提供了平衡和特殊功能的能力。
随着制备技术和理论研究的不断发展，功能梯度材料将在诸多领域中得到更广泛的应用。
功能梯度材料的概述
功能梯度材料的概述摘要：功能梯度材料是一种新型复合材料，本文阐述功能梯度材料的概念，表征，制备方法及应用。
关键词：功能梯度材料(FGM) 概念表征性能制备前景1 概述：功能梯度材料（Functionally Graded Materials,简称FGM）是采用先进的材料复合技术, 使材料的组成、结构沿厚度方向呈梯度变化的一种新型的非均质复合材料。
FGM的概念是由日本学者平井敏雄、新野正之等人于1987 年提出的为了解决在设计制造新一代航天飞机的热应力缓和问题的材料。
在航天飞机推进系统并列喷气燃烧器或再用型火箭燃烧器中, 由于气体燃烧温度高达2000℃ , 燃烧室壁承受的热负荷可达100MW/m2, 因此用做燃烧室壁的材料对耐热性、隔热性、耐久性和强韧性有很高的要求。
最初研究的FGM是表面使用温度达2000K、表里温度相差约1000K 的新型超耐热材。
2 表征:2.1 基于梯度源的功能梯度材料表示方法基于梯度源的功能梯度材料实体模型由香港大学的Y. K. Siu 和S. T. Tan,提出该模型将实体的几何元素 (如点、线、面)作为梯度源,记录该梯度源下的材料成分方程f ( d )及材料数组M, 其中, 材料成分方程f ( d)由各点到梯度源的垂直距离来记录实体内部材料分布情况.2.2 基于力学性能和玻璃化转变温度的功能梯度材料表示方法通过均匀分散碳纳米填料制备FGM ,用玻璃化转变温度和应力与应变行为的梯度来表征这些材料。
当油含量沿着薄层厚度从0 份变为100 份时,FGM 的玻璃化转变温度Tg从- 56 ℃变为- 80 ℃。
油含量的变化也使拉伸强度、弹性模量、拉断伸长率等沿厚度发生变化。
FGM 的机械性能和Tg 的这种变化有助于在过渡区的低温环境下(即- 56 ℃～80 ℃) 既保持弹性又具有强度。
3 制备方法:3.1 电沉积法在含有某种金属离子的电解溶液中将被沉积工件作为阴极，通过一定波形的低压直流电，使金属离子不断在阴极上沉积为金属的过程。
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
梯度功能材料
梯度功能材料梯度功能材料State:1. 此⽂在是从中英⽂⽂献中的“简单总结”，没列出相应的参考⽂献2. 是为允诺⼀位朋友⽽做，也可以算作⾃⼰的读书⼩笔记，仅此⽽已背景梯度功能材料( Functionally Gradient Materials ,简称FGM)是由于航空航天技术的发展⽽提出的新概念。
航天飞机在⼤⽓层中长时间飞⾏,机头尖端和发动机燃烧室内壁的温度⾼达2100 K 以上,因此材料必须承受很⼤的⾼温以及内外的温度差别,服役的环境很恶劣。
1984 年,⽇本学者Masyuhi NINO，Toshio HIRA，和Ryuzo WATANBE等⼈⾸先提出了FGM 的概念,其设计思想⼀是采⽤耐热性及隔热性的陶瓷材料以适应⼏千度⾼温⽓体的环境,⼆是采⽤热传导和机械强度⾼的⾦属材料,通过控制材料的组成、组织和显微⽓孔率,使之沿厚度⽅向连续变化,即可得到陶瓷⾦属的FGM。
所谓梯度功能材料（FGM）, 即在材料制备过程中,使组成、结构及孔隙率等要素在材料的某个⽅向上连续变化或阶梯变化, 从⽽使材料的性质和功能也呈连续变化或阶梯变化的⼀种⾮均质复合材料。
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。
该项⽬于1992 年完成，随后将⼯作重⼼转向模拟件的试制及其在超⾼温、⾼温度梯度落差及⾼温燃⽓⾼速冲刷等条件下的实际性能测试评价上,并于1993 年开始研究具有梯度结构的能量转换材料。
第⼀届国际FGM 研讨会于1990 年在⽇本仙台召开,之后每两年举办⼀届。
中国于2002 年在北京主办过第七届FGM国际研讨会。
特点功能梯度材料的关键特点是控制界⾯的成分和组织连续变化，使材料的热应⼒⼤为缓和。
从材料的组成⽅式看，功能梯度材料可分为⾦属/陶瓷、⾦属/⾮⾦属、陶瓷/陶瓷、陶瓷/⾮⾦属和⾮⾦属/聚合物等多种结合⽅式。
从组成变化可划分为：功能梯度整体型（组成从⼀侧到另⼀侧呈梯度渐变的结构材料），功能梯度涂覆型（在基体材料上形成组成渐变的涂层）和功能梯度连接型（粘结两个基体间的接缝呈梯度变化）。
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t ij t ui
Jt J J
1
aux
I
1
aux ij ij aux ( K I K Iaux )r 2 fijI ( ) ( K II K II )r 2 fijII ( )
Piecewise-exponential model (PE 模型 )
o a h c b
FGMs with arbitrary properties
y
x
边界条件:
PE 模型——分段指数模型
o
0
hn2
hM h
hn1
hn1 1
h2 h1
…
E0
y
…
a
… …
b
… …
M
x
EM
Schematic of the layers in the PE Model
功能梯度材料（ FGM ）特点：实现材料的两侧具有不 同的功能，同时克服 两种材料结合部位的性能不匹配。
陶瓷/非金属
陶瓷/金属系 梯度功能材料
发展
陶瓷/陶瓷
金属/非金属 非金属/塑料
功能梯度材料— 一种典型的非均匀材料 一种复合材料
功能梯度材料
FGM作为一种可设 计的新型材料，被 认为是在高温环境 下最有应用前景的 复合材料之一，而 且在其它更广泛领 域内的应用也显示 出巨大的潜力！
一． 功能梯度材料的应用与研究背景
二． 任意属性功能梯度材料的断裂力学解析模型
三． 任意属性功能梯度材料的断裂力学数值模拟模 型
任意属性非均匀材料裂纹问题的数值模拟方法
—— 相互作用积分方法与扩展有限元法的结合
相互作用积分 - J积分
相互作用积分源 于J积分。 J积分：关于裂 纹尖端的一个围 道积分。 弹性、均匀材料 中J积分与路径 无关。
Real properties approached by exponential functions
应力强度因子（SIFs）随材料模量的变化
the normalized SIFs are greater when the crack tip lies in the comparatively stiffer location
不同类型真实模量与PE模型近似模量的比较
10 9 8
E(x)/E0
original real property approximated property EM/E0=10
7 6 5 4 3 2 1 0.0 0.2 0.4 x/h 0.6 0.8 1.0 g=1/2 g=1 g=2 exponential
表面
内部 横断 面
PSZ/IN100-FGM
PSZ/Inco 718-FGM
度热 材冲 料击 中载 的荷 典作 型用 破下 坏功 模能 式梯
以上图片选自 A. Kawasaki and R. Watanabe. Thermal fracture behavior of metal/ceramic functionally graded materials. Engineering Fracture Mechanics. 2002, 69: 1713-1728
具有一般属性的功能梯度材料 （非均匀材料）断裂力学模型
果立成
哈尔滨工业大学航天科学与力学系
内容
一． 功能梯度材料的应用与研究背景
二． 一般属性功能梯度材料的断裂力学解析模型
三． 一般属性功能梯度材料的断裂力学数值模拟 模型
一． 功能梯度材料的应用与研究背景
二． 一般属性功能梯度材料的断裂力学解析模型
（叠加原理）
ui uiaux ( K I K Iaux )r 2 giI ( , , ) ( K I K Iaux )r 2 giI ( , , )
1 1
1 aux aux aux I [ ( jk aux ) ( u jk jk jk 1i ij j ,1 ij u j ,1 )]ni d 2 2 aux * ( K I K Iaux K II K II ) E
J积分[Rice, 1968]
J (W 1 j ij ui ,1 )n j d
G J 弹性、均匀材料
G lim J
0
非均匀材料
1
2
图1
相互作用积分
相互作用积分I：它是两种受力状态（实际受力场 和辅助场）的相互影响部分。 aux aux 辅助场： u , u , 真实场： i ij i ij
PE model——分段指数模型
h1
a ... Material’s Property
hM h
b
Crack ... Real property Approximated property
x
Schematic of the approximated material’s property in the PE Model
以上图片取自: Y.Miyamoto et al. (eds.). Functionally graded materials. Design, Processing and Applications. Kluwer Academic Publishers, 1999
功能梯度材料断裂
断裂是功能梯度材料的 一种主要破坏方式。
三． 一般属性功能梯度材料的断裂力学数值模拟 模型
一、功能梯度材料的应用与研究背景
功能梯度材料 (FGM):组份与微结构非均匀空间变化， 其力学性能和功能沿某一方向成梯度变化。
FGM was proposed in around 1984: A spaceplane's outer body (about 1700 deg), Rocket engine
一． 功能梯度材料的应用与研究背景
二．一般属性功能梯度材料的断裂力学解析模 型
三． 一般属性功能梯度材料的断裂力学数值模拟模 型
任意属性功能梯度材料的断裂力学解析模型 的研究
对于功能梯度材料的理论研究，对真 实材料建立相对简化模型是必要的。多年 来科研工作者对任意属性功能梯度材料建 立了一系列的解析模型。其中PE模型是其 中行之有效的方法之一。