梯度功能材料的研究進(jìn)展

1、文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) 梯度功能材料的研究進(jìn)展文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) 摘要:本文介紹了梯度功能材料(functionally graded materials簡寫為fgm)的基本概念、分類、性質(zhì)和制備方法的基本原理, 綜述了國內(nèi)外fgm的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀, 提出了fgm在應(yīng)用方面尚需解決的一些問題，并展望了梯度功能材料的發(fā)展前景與方向。關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進(jìn)展 abstract :this paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded material

2、s. based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. the current status of the research of fgm are discussed and an anticipation of its future development is also present.key words :fgm；composite；the advance0 引言信息、能源

3、、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的三大支柱?，F(xiàn)代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對材料,特別是對高性能材料的認(rèn)識水平、掌握和應(yīng)用能力,直接體現(xiàn)國家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力,也是一個國家綜合國力和社會文明進(jìn)步速度的標(biāo)志。因此,新材料的開發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo),是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。近年來,材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展1。究其原因,一方面是各個學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實(shí)驗技術(shù);另一方面是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要對材料提出了新的要求。而fgm即是為解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，&ldq

4、uo;輕質(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用2，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)之一。1 fgm概念的提出當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過2000，燃燒室的熱流量大于5mw/m2, 其空氣入口的前端熱通量達(dá)5mw/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá) 1000k以上的溫差,傳統(tǒng)的單

5、相均勻材料已無能為力1。若采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落3或龜裂1現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念1，即以連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應(yīng)力降至最小3。隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(fgm)是指以計算機(jī)輔助材料設(shè)計為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材

6、料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料4。2 fgm的特性和分類2.1 fgm的特殊性能由于fgm的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點(diǎn)如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足5。正如erdogan在其論文6中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比fgm有如下優(yōu)勢:1)將fgm用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;2)將fgm用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;3)將fgm用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;4)用fgm代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動力。2.2 fgm的分類根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)fgm有多種分類方

7、式。根據(jù)材料的組合方式，fgm分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料1；根據(jù)其組成變化 fgm分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）1；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度fgm，成分fgm，光學(xué)fgm，精細(xì)fgm等4；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱 fgm，生物、化學(xué)工程fgm，電子工程fgm等7。3 fgm的應(yīng)用fgm最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來的。隨著fgm 研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的fgm,

8、并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。功能 應(yīng)用領(lǐng)域  材料組合 緩和熱應(yīng)力功能及結(jié)合功能航天飛機(jī)的超耐熱材料陶瓷引擎耐磨耗損性機(jī)械部件耐熱性機(jī)械部件耐蝕性機(jī)械部件加工工具運(yùn)動用具:建材  陶瓷金屬陶瓷金屬塑料金屬異種金屬異種陶瓷金剛石金屬碳纖維金屬塑料 核功能原子爐構(gòu)造材料核融合爐內(nèi)壁材料放射性遮避材料 輕元素高強(qiáng)度材料耐熱材料遮避材料耐熱材料遮避材料生物相溶性及醫(yī)學(xué)功能人工牙齒牙根人工骨人工關(guān)節(jié)人工內(nèi)臟器官:人工血管補(bǔ)助感覺器官生命科學(xué) 磷灰石氧化鋁磷灰石金屬磷灰石塑料異種塑料硅芯片塑料電磁功能電磁功能 陶瓷過濾器超聲波振動子ic磁盤磁頭電磁鐵長壽命加熱器超導(dǎo)材料電磁屏避材料高密度封裝基板 壓電陶瓷塑料壓電陶瓷塑料硅化合物半導(dǎo)體多層磁性薄膜金屬鐵磁體金屬鐵磁體金屬陶瓷金屬超導(dǎo)陶瓷塑料導(dǎo)電性材