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1、,航天飞机,功能梯度材料,不锈钢陶瓷(Si3N4)界面上应力分布(单位：1/100MPa)（a）无梯度；（b）有梯度,W:T=3680K,19.3;MO:T=2890K,10.2氧化物陶瓷熔点均在2000K以上，密度：Al2O3=4.0；TiB2=4.5；SiC3.12等虚线压应力区；0无应力区比较发现：1.成分突变会导致应力集中（解决不好，哥伦比亚号坠毁，见图）2.成分逐步过渡，应力集中大大降低3.无梯度样品冷却时开裂，有梯度样品有近400MPa结合强度4.有梯度时集中区拉应力仅为无梯度时的1/3-1/4,成分设计：表层：陶瓷类结构材料，耐热、抗氧化内层：金属材料，高热导率、机械强度；中间通
2、过成分、结构、性能上的梯度变化，释放其热应力。,航天飞机的外部燃料箱体形巨大，长度约为154英尺，直径大约27.6英尺。哥伦比亚号的外部燃料箱净重66,000磅，装满液氢和液氧之后，总重量可达170万磅。,液氧的温度约为-297华氏度,液氢的温度约为-423华氏度,绝热瓦,1 梯度功能材料概念的提出 是应航天航空的需要，能在极限环境下正常工作而发展起来的一种新型功能材料。由两日本人（新野正之、平井敏雄）于1986年首先提出的，其实我们祖先早在2400多年前就已生产了。2 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
3、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。,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；花纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀。形成了良好的成分梯度。其实大自然，人类自身早已存在了功能梯度材料。,人体长骨结构示意图,生物功能梯度材料,无机：羟基磷灰石碳酸磷灰石有机：胶原纤维骨是无机与有机的复合材料,注意：梯度材料与合金材料、复合材料的区
4、别,3 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。4 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,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）折射率梯度功能材料,化学气相沉积技术,热应力缓和型SiC/C 梯度材料的CVD合成原料：SiCl4+CH4+H2H2-载体气SiCl4（液态）硅源CH4-C源发热体石墨基板石墨,常见热防护梯度功能制
5、备工艺,过程：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，使生成物在基板上沉积特点：1.调节气的流量和压力控制组分比2.可镀表面形状复杂的材料3.沉积面光滑致密4.沉积率高应用：Ti/TiC、Ti/TiN、Cr/CrN、SiC/C/TiC等,物理气相沉积技术,控制因素：1.蒸发速度2.蒸发物质的组成3.基板温度4.反应气体的导入量阴极：中空阳极：铜坩锅氩气：阴阳级放电时 氩气电离产生 氩等离子体坩锅中金属：受热、熔融、蒸发、沉积于基板,过程：通过加热等物理方法使源物质(如金属等)蒸发，使蒸气直接沉积在基板上成膜，或与反应气体作用并在基版上沉积（物理化学气相沉积）特点：1.物
6、系的选择面宽2.产物纯度高3.组成控制精度高4.可制多层不同物质的膜5.膜薄，每层膜为一种物质应用：合成各种金属和包括氧化物、氮化物、碳化物在内的陶瓷以及金属/陶瓷的复合物,自蔓延技术,SHS反应模型示意图,离心复合梯度层,过程：将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化充填，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：适合于生成热大的化合物的合成，如AlN、TiC、TiB2等 操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高 材料致密度低应用：1）电磁加压自蔓延：TiB2/Cu；2）自蔓延热等静压相结合：TiC/TiC+10Ni/TiC+2
7、0 Ni/TiC+30Ni；3）爆炸压实生坯自蔓延：A12O3/Ti密度从82到94,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、浇结而成薄膜叠层法：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,热防护梯度功能材料的特征评价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、热冲击评价和热疲劳评价。,
