蒙詩貴20101622功能梯度材料-2學(xué)習(xí)資料

1、Northeastern University蒙詩貴20101622功能梯度材料-2Northeastern University 針對這種情況，日本材料科學(xué)家新野正之、平井敏雄和渡邊龍等于1987年首先提出了功能梯度材料的概念。下圖為的示意圖。的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在可以連接種不相容的材料，提高粘結(jié)強(qiáng)度，減小不同材料之間的殘余應(yīng)力和裂紋驅(qū)動力，消除不同材料界面的交叉點(diǎn)。Northeastern University圖1 FGM結(jié)構(gòu)和特性示意圖Northeastern University 2）指材料的組成和結(jié)構(gòu)從材料的某一方位（一維二維或者三維）向另一方位連續(xù)地變化，使材料的性能和功能也呈現(xiàn)梯度變化

2、的一種新型的功能性材料（functionalgradientmaterials） 1.2 FGM的概念 1）它是指一類組成結(jié)構(gòu)和性能在材料厚度或長度方向連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化的非均質(zhì)復(fù)合材料。（functionally gradedmaterials 新野正之）Northeastern University1.3 1.3 梯度材料與合金材料、復(fù)合材料的區(qū)別梯度材料與合金材料、復(fù)合材料的區(qū)別材料材料混雜材料混雜材料復(fù)合材料復(fù)合材料梯度材料梯度材料設(shè)計(jì)思想分子、原子級水平合金化組分優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合特殊功能為目標(biāo)組織結(jié)構(gòu)0.1nm-0.1m0.1m-1m10nm-10mm結(jié)合方式化學(xué)鍵、物理鍵分子間力分子間力/

3、物理鍵/化學(xué)鍵圍觀組織均質(zhì)/非均質(zhì)非均質(zhì)均質(zhì)/非均質(zhì)宏觀組織均質(zhì)均質(zhì)非均質(zhì)功能一致一致梯度化Northeastern University1.4 FGM和傳統(tǒng)復(fù)合材料相比具有的優(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。Northeastern University1.5 功能梯度材料的分類 1）按組合方式分 金屬/金屬 金屬/非金屬 金屬/陶瓷 非金

4、屬/塑料 非金屬/陶瓷 陶瓷/陶瓷Northeastern University 2）按組成變化分 梯度功能整體型(從一側(cè)到另一側(cè)組成梯度變化) 梯度功能涂履型(涂層的組成梯度變化) 梯度功能連接型(粘接接縫的組成梯度變化)3）按梯度性質(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。Northeastern University22 功能梯度材料的設(shè)計(jì)過程 a. a. 通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，根據(jù)指定的材料結(jié)根據(jù)指定的材料結(jié)構(gòu)形狀和受熱環(huán)境，得出熱力學(xué)邊界條件；選擇構(gòu)形狀和受熱環(huán)

5、境，得出熱力學(xué)邊界條件；選擇有可能合成的材料組配和恰當(dāng)?shù)闹圃旆椒?；有可能合成的材料組配和恰當(dāng)?shù)闹圃旆椒ǎ?根據(jù)材料的物理參數(shù)及控制梯度變化的適宜條件，根據(jù)材料的物理參數(shù)及控制梯度變化的適宜條件，進(jìn)行溫度分布解析和熱應(yīng)力解析，探索比應(yīng)力達(dá)進(jìn)行溫度分布解析和熱應(yīng)力解析，探索比應(yīng)力達(dá)最小值的組成分布形狀或材料組配。最小值的組成分布形狀或材料組配。 b.b.把獲得的結(jié)果作為進(jìn)行梯度功能材料的制備依把獲得的結(jié)果作為進(jìn)行梯度功能材料的制備依據(jù)據(jù)。一般先制備出較小的試件；然后進(jìn)行擴(kuò)大性一般先制備出較小的試件；然后進(jìn)行擴(kuò)大性試驗(yàn)。試驗(yàn)。 c.c.將其用于實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)將其用于實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)。 Nort

6、heastern University3 功能梯度材料的制備原料體系方法類別方法氣相化學(xué)法化學(xué)氣相沉積法物理法物理氣相沉積濺射法離子注入法液相化學(xué)法電鍍法氧化還原法物理法熔射法熔體凝固法固相法化學(xué)法自蔓延法（熱分解法）涂層法物理法燒結(jié)法部分結(jié)晶法擴(kuò)散法Northeastern University3.1 化學(xué)氣象沉積法 （CVD） 通過兩種氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混通過兩種氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合，在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并沉積在基板上。合，在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并沉積在基板上。此法特點(diǎn)是通過調(diào)節(jié)原料氣流量和壓力來連續(xù)控此法特點(diǎn)是通過調(diào)節(jié)原料氣流量和壓力來連續(xù)控制，改變金屬制

7、，改變金屬陶瓷的組成和結(jié)構(gòu)。陶瓷的組成和結(jié)構(gòu)。Northeastern University3.2 物理氣象沉積法（PVD） PVD法是通過物理方法如離子鍍，濺射及分子束外延等使源物質(zhì)蒸發(fā)在基體上沉積成膜的一種方法. 這種制備技術(shù)主要用于制備薄膜梯度材料。 PVD制備得到的膜是純物質(zhì)的，一般和CVD法一起使用Northeastern University3.3 自蔓延燒結(jié)法 （SHS） 利用粉末間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和反應(yīng)的自傳利用粉末間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和反應(yīng)的自傳性，使材料燒結(jié)、合成的方法性，使材料燒結(jié)、合成的方法. . 此法過程簡單，反應(yīng)迅速且耗能少。可通過加壓此法過程簡單，反應(yīng)迅速且耗能

8、少?？赏ㄟ^加壓來提高致密度。來提高致密度。 最適合于生成熱大的化合物的合成如最適合于生成熱大的化合物的合成如AlNAlN、TiCTiC、TiBTiB2 2等等 Northeastern UniversityNortheastern University 鋼 管鋁熱劑Al2O3陶瓷Fe層SHS-SHS-離心法制備陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管離心法制備陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管Northeastern University3.4 等離子噴涂法 等離子體噴涂能同時(shí)熔化難熔相和金屬，通過控等離子體噴涂能同時(shí)熔化難熔相和金屬，通過控制兩種粉末的相對供給速率來預(yù)先設(shè)置混合比率。制兩種粉末的相對供給速率來預(yù)先設(shè)置混合比率。 使用

9、粉末作為噴涂材料，以氦氣、氬氣等氣體為使用粉末作為噴涂材料，以氦氣、氬氣等氣體為載體，吹入高溫等離子體射流。等離子體射流把載體，吹入高溫等離子體射流。等離子體射流把能量傳遞給顆粒，粉末被熔融后進(jìn)一步加速，高能量傳遞給顆粒，粉末被熔融后進(jìn)一步加速，高速沖撞在基材表面形成涂層。高速使顆粒撞到固速沖撞在基材表面形成涂層。高速使顆粒撞到固體基底上時(shí)變得相當(dāng)扁平，使涂層具有相對低的體基底上時(shí)變得相當(dāng)扁平，使涂層具有相對低的孔隙率。孔隙率。Northeastern UniversityNortheastern University3.5 粉末冶金法 將金屬、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到將金屬、陶瓷等

10、粉末按一定梯度分布直接填充到模具中加壓燒結(jié)；也可將不同組分粉末壓成薄膜模具中加壓燒結(jié)；也可將不同組分粉末壓成薄膜/ /片后進(jìn)行疊層燒結(jié)。片后進(jìn)行疊層燒結(jié)。 控制各組分混合比，使壓后的粉坯梯度層間任一控制各組分混合比，使壓后的粉坯梯度層間任一組分濃度變化較小，梯度層間接合緊密。組分濃度變化較小，梯度層間接合緊密。 調(diào)節(jié)粉末粒度分布和燒結(jié)工藝，可得良好熱應(yīng)力調(diào)節(jié)粉末粒度分布和燒結(jié)工藝，可得良好熱應(yīng)力緩和的梯度功能材料。緩和的梯度功能材料。Northeastern University通過粉末冶金混合燒結(jié)成的FGM結(jié)構(gòu)示意圖Northeastern University3.6 激光熔覆法 把材料把材

11、料A A放到基底放到基底B B表面上，用激光將其與表面上，用激光將其與B B基體中基體中表面薄層一起熔化，在表面薄層一起熔化，在B B表面形成表面形成B B合金化的合金化的A A層。層。 重復(fù)操作，在重復(fù)操作，在B B表面產(chǎn)生表面產(chǎn)生B B含量逐漸減少的梯度。含量逐漸減少的梯度。 梯度變化可通過控制初始梯度變化可通過控制初始A A層的數(shù)量、厚度及熔區(qū)層的數(shù)量、厚度及熔區(qū)深度來獲得。深度來獲得。Northeastern University激光熔覆將材料激光熔覆將材料A A合金化合金化到材料到材料B B制備制備FGMFGM示意圖示意圖Northeastern University方法名稱方法名稱

12、優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)氣相沉積法氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度可以控制；可制備大尺寸的功能梯度材料。沉積速率慢；成份分布不能連續(xù)控制；不能制備出大厚度的梯度膜,涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)雜。自蔓延燒結(jié)法合成時(shí)間短、操作簡單；產(chǎn)品純度高、效率高、能耗少、工藝相對簡單；能夠制備大體積的梯度材料。成分不均勻,造成反應(yīng)熱相差較大；需要專用設(shè)備。等離子噴涂法可以調(diào)整粉末的組成、沉積率高、無需燒結(jié)、不受基體面積大小的限制；涂層的界面結(jié)合強(qiáng)度、抗熱沖擊性和熱疲勞性均明顯改善。梯度涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度不高,并存在涂層組織不均勻、空洞疏松、表面粗糙等缺陷。Northeastern University粉末冶金法易

13、于操作，控制靈活，適于工業(yè)生產(chǎn)，可以制備大尺寸材料，可靠性高、適合于制造形狀比較簡單的功能梯度材料部件。工藝比較復(fù)雜、制備的梯度材料有一定的孔隙率；不能做到材料成分的連續(xù)過渡。離心鑄造法能制備高致密度、大尺寸的梯度材料。限于管狀或環(huán)形零件。激光融覆法熔覆速度非常快。需要特殊的設(shè)備。Northeastern University 4 功能梯度材料的應(yīng)用 4.1 熱應(yīng)力緩和型梯度材料熱應(yīng)力緩和型梯度材料 減少或克服高溫、大溫度落差減少或克服高溫、大溫度落差、高速熱流沖刷高速熱流沖刷和動態(tài)機(jī)械負(fù)荷下由于結(jié)合部位熱、力學(xué)性能不和動態(tài)機(jī)械負(fù)荷下由于結(jié)合部位熱、力學(xué)性能不匹配造成的材料破壞匹配造成的材料破

14、壞 Northeastern University4.2 船舶工業(yè) 在在艦船甲板上可采用含熱障的、抗摩擦或抗沖擊的艦船甲板上可采用含熱障的、抗摩擦或抗沖擊的梯度功能材料涂層，或設(shè)計(jì)連續(xù)增強(qiáng)纖維排列的逐級梯度功能材料涂層，或設(shè)計(jì)連續(xù)增強(qiáng)纖維排列的逐級梯度，顯著提高它們的缺口阻力，抑制微觀裂紋擴(kuò)張，梯度，顯著提高它們的缺口阻力，抑制微觀裂紋擴(kuò)張，大幅改善甲板的抗高應(yīng)變速率變形和沖擊性能，對艦大幅改善甲板的抗高應(yīng)變速率變形和沖擊性能，對艦船的防護(hù)及搭載飛行器具有重要意義。船的防護(hù)及搭載飛行器具有重要意義。航空母艦的夾板Northeastern University4.3 汽車工業(yè) 為對柴油機(jī)或汽油機(jī)

15、活塞頭進(jìn)行熱保護(hù)，需在鋼為對柴油機(jī)或汽油機(jī)活塞頭進(jìn)行熱保護(hù)，需在鋼基底上噴涂厚度大于基底上噴涂厚度大于2mm2mm的的ZrOZrO2 2涂層。如果直接在涂層。如果直接在金屬上覆蓋陶瓷，在構(gòu)件投入使用前就會導(dǎo)致界金屬上覆蓋陶瓷，在構(gòu)件投入使用前就會導(dǎo)致界面脫層。面脫層。 通過覆蓋一些陶瓷含量不斷增加的金屬通過覆蓋一些陶瓷含量不斷增加的金屬- -陶瓷復(fù)合陶瓷復(fù)合梯度涂層，可保證涂層力學(xué)完整性，保護(hù)活塞。梯度涂層，可保證涂層力學(xué)完整性，保護(hù)活塞。Northeastern University4.4 能源工業(yè) 核反應(yīng)堆內(nèi)壁溫度高達(dá)數(shù)千核反應(yīng)堆內(nèi)壁溫度高達(dá)數(shù)千K K，其內(nèi)壁材料采用單，其內(nèi)壁材料采用單純

16、雙層結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)不好，孔洞較多，熱應(yīng)力下純雙層結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)不好，孔洞較多，熱應(yīng)力下有剝離傾向。有剝離傾向。 采用金屬采用金屬/ /陶瓷結(jié)合的梯度材料，能消除熱傳遞及陶瓷結(jié)合的梯度材料，能消除熱傳遞及熱膨脹引起的應(yīng)力，解決界面問題，可替代目前熱膨脹引起的應(yīng)力，解決界面問題，可替代目前不銹鋼不銹鋼/ /陶瓷復(fù)合材料。陶瓷復(fù)合材料。Northeastern University4.5 光學(xué)器件工業(yè) 梯度功能材料推動一個(gè)新的光學(xué)分支梯度功能材料推動一個(gè)新的光學(xué)分支- -梯度折射率梯度折射率光學(xué)的形成，在光學(xué)器件中有大量應(yīng)用。光學(xué)的形成，在光學(xué)器件中有大量應(yīng)用。 梯度折射率透鏡體積小、焦距短、消像差性好

17、，梯度折射率透鏡體積小、焦距短、消像差性好，組成的光學(xué)系統(tǒng)可大大減少非球面組件數(shù)，簡化組成的光學(xué)系統(tǒng)可大大減少非球面組件數(shù)，簡化光學(xué)器件結(jié)構(gòu)。光學(xué)器件結(jié)構(gòu)。 梯度折射率光纖可以自聚焦，提高耦合效率梯度折射率光纖可以自聚焦，提高耦合效率Northeastern University梯度折射透鏡棒透鏡Northeastern University包層n2纖芯n1梯度多膜塑料光纖Northeastern University4.6 生物醫(yī)學(xué)工業(yè) 羥基磷灰石羥基磷灰石(HA)(HA)陶瓷和鈦或陶瓷和鈦或Ti-6Al-4VTi-6Al-4V合金組成的合金組成的梯廢功能材料可作為仿生人工關(guān)節(jié)和牙齒。梯廢功能材料可作為仿生人工關(guān)節(jié)和牙齒。 HAHA是生物相容性優(yōu)良的生物活性陶瓷，鈦及其合是生物相容性優(yōu)良的生物活性陶瓷，鈦及其合金生物相容性也很好，強(qiáng)度高，金生物相容性也很好，強(qiáng)度高， 人造牙的齒根外表采用耐磨性優(yōu)良的人造牙的齒根外表采用耐磨性優(yōu)良的HAHA陶瓷，內(nèi)陶瓷，內(nèi)部采用可承受較大變形的鈦或部采用可承受較大變形的鈦或Ti-6Al-4VTi-6Al-4V合金。合金。Northeastern University此外，梯度技術(shù)還可以用于半導(dǎo)體器件、化工容器及此外，梯度技術(shù)還可以用于半導(dǎo)體器件、化工容器及部件等的制作。部件等的制作。功能梯度材料還處于研究、