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1、第11章 功能梯度材料（Functionally Graded Materials）,功能梯度材料是指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；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。 从本质上讲，功能梯度材料是复合材料的一种。自然界有许多梯度材料的例子，如竹子、贝壳、骨骼等。,一、概述,越王勾践剑深埋地下2400多年，1965年冬出土时依旧寒光逼人，锋利无比。1977年12月，复旦大学与中科院等对剑进行了无损检测。主要成分是铜、锡及少量的铝、铁、镍、硫。剑的各个部位铜和锡的比例不一。剑脊含铜较多，韧性好，不易折断；刃部含锡高，硬度大，使剑非常锋利；花
2、纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀。形成了良好的成分梯度。,功能梯度材料的概念最早是由日本科学家平井敏雄于1984年首先提出的，目的是要解决如航空、航天等高技术领域出现的苛刻条件下使用的材料问题。如航天飞机推进系统中超音速燃,烧冲压式发动机, 其燃烧室壁一侧接触高达2000的燃烧气体，承受超高温，而另一侧则接触-200的液氢燃料，承受超低温，而产生的极大热应力。一般材料显然满足不了这一要求。,金属-陶瓷构成的功能梯度材料可有效解决上述极大热应力问题。高温侧用耐热性好的陶瓷材料，低温侧用导热和强度好的金属材料。,材料从陶瓷到金属，其耐热性逐渐降低，强度缓慢升高.热应力在材料两端很小，在材料中部达到峰值，
3、因而有效地缓和了热应力。,金属/陶瓷功能梯度材料,功能梯度材料的元素分布及电镜组织,Mo/Cu FGM材料,Mo,Cu,1987年，日本科学技术厅提出了一项“关于开发缓和热应力的梯度功能材料的基础技术研究计划”。功能梯度材料的出现引起了世界其他国家材料工作者的极大兴趣。虽然FGM的最初目的是解决航天飞机的热保护问题，但随着FGM的研究和开发，其应用已从宇航工业扩大到核能源、电子、光学、化学、生物医学工程等领域, 其组成也由金属-陶瓷发展为金属-合金、非金属-非金属、高分子膜-高分子膜等多种组合，种类繁多，应用前景广阔。,二、功能梯度材料的制备,1、化学气相沉积法(CVD) 通过两种气相均质源输
4、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。此法特点是通过调节原料气流量和压力来连续控制，改变金属陶瓷的组成和结构。用此方法已制备出厚度为0.42mm的SiC-C、TiC-C的FGM材料.,2、物理蒸镀法(PVD) 通过物理法使源物质加热蒸发而在基板上成膜的制备方法。,已制备出Ti-TiN、 Ti-TiC、Cr-CrN系的FGM材料。将该方法与CVD法结合已制备出3mm厚SiC-C-TiC等多层FGM膜。,3、等离子喷涂法采用多套独立或一套可调组分喷涂装置，精确控制等离子喷涂成分来合成FGM材料.采用该法须对喷涂压力、喷射速度及颗粒粒度等参量严格控制，已制备出部分稳定氧化锆
5、-镍铬FGM材料.,4、颗粒梯度排列法,是类似于粉末冶金法的一种烧结方法，可分为颗粒直接填充法和薄膜叠层法。优点：可制备大体积的梯度材料缺点：工艺复杂，一定的孔隙率，尺寸受模限制。颗粒直接填充法： 将金属、陶瓷等粒子按一定的梯度分布直接填充到模具中经过加压、烧结而成薄膜叠层法： 将金属和陶瓷粉末掺人微量胶粘剂、分散剂等，振动磨制成泥浆，脱气压膜，再将这些不同成分和结构的薄膜叠层、烧结,由八个成分层组成的AlN/W功能梯度材料,The AlN/W FGM shown is this photograph has eight different composition layers which a
6、re made of two types of materials:AlN for the matrix and W for the dispersed particles. The AlN/W FGM is the nano- dispersed FGM. The W,particles(500nm), which appeared as black spots under the transmission electron microscope, are dispersed from 0WT% to 30wt% in the AlN grain boundaries and of AlN
7、grains.,5、自蔓延高温合成法（SHS）利用粉末间化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材料烧结、合成的方法.此法过程简单，反应迅速且耗能少。可通过加压来提高致密度。已制备出Al-TiB2、Cu-TiB2、Ni-TiC等体系的平板及圆柱状FGM。,示意图,SHS-离心法制备陶瓷内衬复合钢管,图3-4 SHS-离心法制备的复合钢管,离心复合梯度层,实验过程,（a）点火装置 (b) 点火前 (c)SHS反应过程中 (d) SHS反应毕设计的点火装置及Fe2O3-Al体系的SHS反应过程,6、共沉降技术制备组成连续变化的FGM, 基本思路, 制备过程,Transferring,Sinterin
8、g,FGM,Mo-Ti系FGM,7、电泳沉积法(EPD)带电颗粒在电场作用下，向着与其电性相反的电极移动，称为电泳(electrophoresis , EP)。用电泳沉积法制备FGM速度快、成本低，可产生连续和阶梯状FGM。通过适时调整悬浮液的成分，可获得理想的FGM.,EPD法制备的Al2O3/ZrO2 FGM片,三、功能梯度材料的应用,1、热应力缓和型梯度材料,减少或克服高温、大温度落差、高速热流冲刷和动态机械负荷下由于结合部位热、力学性能不匹配造成的材料破坏。,2、功能梯度热障涂层的应用,3、生物材料含玻璃层的羟基磷灰石(HA)与Ti或Ti-6Al-4V合金组成的复合材料可做仿生活性人工
9、关节和牙齿植入体。,4、多膜光纤光通讯领域的多膜光纤，其纤芯折射率高，包层折射率低，多膜光纤的折射率由心部向外呈现梯度分布，是性能更佳的光学元件.,梯度多膜塑料光纤,5、核反应堆材料用于核聚变反应堆，可消除热传递和热膨胀引起的应力。如金属-陶瓷梯度材料。,第四代核工业系统面临着高温材料的改进.先进陶瓷、涂层和功能梯度材料是潜在的选择。,功能梯度材料的其它应用,此外，梯度技术还可以用于半导体器件、化工容器及部件等的制作。功能梯度材料还处于研究、开发和实验阶段，为使功能梯度材料达到实用化，还需对大型材料和复杂形状材料的制造方法、材料的耐氧化性以及在高温下长时,截止阀球(SiC/SiC-TiB2梯度复合),间使用时特性的变化等问题进行深入研究和探讨。,
