第14章梯度功能材料

1、第十四章第十四章 梯度功能材料梯度功能材料 14.1 梯度功能材料的概念梯度功能材料的概念 14.2 梯度光折射率材料梯度光折射率材料 14.3 熱防護(hù)梯度功能材料熱防護(hù)梯度功能材料 14.4 梯度功能材料的展望梯度功能材料的展望 教學(xué)目標(biāo)及基本要求教學(xué)目標(biāo)及基本要求 掌握梯度功能材料的概念，梯度折射率材料的折掌握梯度功能材料的概念，梯度折射率材料的折射率類型，梯度折射率材料的特征值，熱防護(hù)梯射率類型，梯度折射率材料的特征值，熱防護(hù)梯度功能材料原理的設(shè)計(jì)，熱防護(hù)梯度功能材料的度功能材料原理的設(shè)計(jì)，熱防護(hù)梯度功能材料的特性評價(jià)。特性評價(jià)。 熟悉和了解梯度折射率材料的種類和制法，梯度熟悉和了解梯度

2、折射率材料的種類和制法，梯度折射率材料的應(yīng)用前景，熱防護(hù)梯度功能材料的折射率材料的應(yīng)用前景，熱防護(hù)梯度功能材料的種類和制備方法，熱防護(hù)梯度功能材料的應(yīng)用前種類和制備方法，熱防護(hù)梯度功能材料的應(yīng)用前景，梯度功能材料的展望。景，梯度功能材料的展望。 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn) （1）梯度功能材料及其主要特征）梯度功能材料及其主要特征 （2）梯度折射率材料的折射率類型）梯度折射率材料的折射率類型 （3）梯度折射率材料的特征值）梯度折射率材料的特征值 （4）熱防護(hù)梯度功能材料的設(shè)計(jì)概念）熱防護(hù)梯度功能材料的設(shè)計(jì)概念 （5）熱防護(hù)梯度功能材料的特性評價(jià)）熱防護(hù)梯度功能材料的特性評價(jià)第十四章第十四章 梯

3、度功能材料梯度功能材料14.1 梯度功能材料的概念梯度功能材料的概念 梯度功能材料（FGM）是兩種或多種材料復(fù)合成組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化的一種新型復(fù)合材料。 梯度功能材料的主要特征有以下三點(diǎn)： （1）材料的組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化。 （2）材料內(nèi)部沒有明顯的界面。 （3）材料的性質(zhì)也相應(yīng)呈連續(xù)梯度變化。 最早研究的梯度功能材料是光學(xué)梯度功能材料。 1900年美國的Word用明膠做成了光折射率沿徑向連續(xù)變化的圓柱棒，稱之為梯度折射率材料。 1969年，日本的北野等人用離子交換工藝制成玻璃梯度折射率棒材和光纖，達(dá)到了實(shí)用水平。 1984年日本國立宇航實(shí)驗(yàn)室為適應(yīng)宇航技術(shù)的發(fā)展，提出了梯度功能材料

4、的設(shè)想。 1987年日本平井敏雄等人提出了金屬和陶瓷復(fù)合的熱防護(hù)梯度功能材料的概念。 1990年10月在日本召開了第一屆梯度功能材料國際研討會。 我國1980年開始研究梯度功能材料。1991年梯度功能材料及其應(yīng)用列入了國家863計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。研究發(fā)展較快，進(jìn)展較好。 14.2 梯度光折射率材料梯度光折射率材料 傳統(tǒng)的光學(xué)材料都是均質(zhì)的，折射率為常數(shù)。 梯度折射率材料則是一種非均質(zhì)材料，它的組分和結(jié)構(gòu)在材料內(nèi)部按一定規(guī)律連續(xù)變化，從而使折射率也相應(yīng)地呈連續(xù)變化。 一、梯度折射率材料的折射率梯度類型和成像原理一、梯度折射率材料的折射率梯度類型和成像原理 梯度折射率材料按折射率梯度分為

5、三種類型：徑向、軸向和球向梯度折射率材料。 （一）徑向梯度折射率材料（一）徑向梯度折射率材料及其成像原理及其成像原理 徑向梯度折射率材料是圓棒狀的。它的折射率沿垂直光軸的半徑從中心到邊緣連續(xù)變化，等折射率面是以光軸為對稱軸的圓柱面。 （二）軸向梯度折射率材料（二）軸向梯度折射率材料及其成像原理及其成像原理 軸向梯度折射率材料的折射率沿圓柱形材料的軸向呈梯度變化。 （三）球向梯度折射率材料（三）球向梯度折射率材料及其成像原理及其成像原理 球向梯度折射率材料的折射率對稱于球內(nèi)某點(diǎn)而分布，這個(gè)對稱中心可以是球心，也可以不是。它的折射率面是同心球面。 二、梯度折射率材料的特征值二、梯度折射率材料的特征

6、值 梯度折射率材料的特征值主要有： 1、折射率分布曲線：最重要的特征值。 2、梯度的色散：包括材料在基本折射率和梯度折射率兩方面的色散。 3、梯度的最大斜率：可從折射率分布曲線求得。 4、透過率：透過率當(dāng)然越高越好。 5、梯度深度：梯度深度決定了梯折材料的尺寸。 6、折射率變化范圍：最大折射率差n。 三、梯度折射率材料的種類和制法三、梯度折射率材料的種類和制法 梯度折射率材料的制作和元件制作是同步進(jìn)行的。 按化學(xué)成分分為無機(jī)材料和高分子材料兩大類。 玻璃梯折材料的優(yōu)點(diǎn)是透過率高，折射率差大，像差和色差小，分辨率高。缺點(diǎn)是比重大，尺寸小，沖擊強(qiáng)度差，制作過程較復(fù)雜。 高分子梯折材料的優(yōu)點(diǎn)是比重小

7、，價(jià)格低，易加工，抗沖擊強(qiáng)度大，可制成大尺寸產(chǎn)品和三維光波導(dǎo)元件。缺點(diǎn)是透過率和分辨率較低，折射率可調(diào)范圍小，色差大和熱性能差等。 按元件的構(gòu)造分為徑向、軸向梯度折射率棒透鏡，球向梯度折射率球透鏡，平板透鏡，平板微透鏡陣列，梯度折射率光波導(dǎo)元件等。 梯度折射率材料的制備方法 （一）無機(jī)梯度折射率材料的主要制備方法（一）無機(jī)梯度折射率材料的主要制備方法 1、離子交換法 2、化學(xué)氣相沉積法 3、分子（離子）填充法 4、晶體增長法 5、溶膠凝膠法 6、光刻離子交換法 （二）高分子梯度折射率材料的主要制備方法（二）高分子梯度折射率材料的主要制備方法 1、擴(kuò)散法 2、擴(kuò)散化學(xué)反應(yīng)法 3、擴(kuò)散共聚法 4、

8、光共聚法 5、懸浮共聚法 6、沉淀共聚法 7、蒸氣轉(zhuǎn)移擴(kuò)散共聚法 8、界面凝膠共聚法 四、梯度折射率材料的應(yīng)用前景四、梯度折射率材料的應(yīng)用前景 梯度折射率材料制成的光學(xué)元件具有顯著的特點(diǎn)。因此，它在光學(xué)系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。 14.3 熱防護(hù)梯度功能材料熱防護(hù)梯度功能材料 熱防護(hù)梯度功能材料的應(yīng)用目標(biāo)主要是用作航天飛機(jī)和宇宙飛船的發(fā)動機(jī)材料和殼體材料。 新一代航天飛機(jī)是兼有航天往返和特超音速航空兩用的飛機(jī)，也叫空天飛機(jī)。不用火箭助推發(fā)射，而是靠發(fā)動機(jī)推力從一般跑道上起飛和著陸。 新一代航天飛機(jī)對熱防護(hù)材料提出了更高的超耐熱性、耐久性和長壽命的要求。 熱防護(hù)梯度功能材料的開發(fā)研究包括材料設(shè)計(jì)

9、、材料合成（制備）和材料特性評價(jià)三部分。 熱防護(hù)梯度功能材料的研究開發(fā)體系見圖141。圖141 熱防護(hù)梯度功能材料的研究體系 一、熱防護(hù)梯度功能材料原理的設(shè)計(jì)一、熱防護(hù)梯度功能材料原理的設(shè)計(jì) 金屬強(qiáng)度高、韌性好，但不耐高溫和腐蝕。 陶瓷耐高溫、抗腐蝕，但脆性大，不耐沖擊。 若將金屬和陶瓷組合可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)。但普通的粘結(jié)或組合技術(shù)，由于兩者界面的熱膨脹系數(shù)不同，而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，引起剝離、開裂和脫落，造成材料的破壞。 梯度功能材料的設(shè)計(jì)概念如圖142所示，它是一種使金屬和陶瓷的組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)變化，從而物性參數(shù)也呈連續(xù)變化的復(fù)合材料。 這種復(fù)合材料的一側(cè)由陶瓷賦予耐熱性，另

10、一側(cè)由金屬賦予其機(jī)械強(qiáng)度及熱傳導(dǎo)性，并且二側(cè)之間的連續(xù)過渡能使溫度梯度所產(chǎn)生的熱應(yīng)力得到充分緩和。 圖142 熱防護(hù)梯度功能材料設(shè)計(jì)概念 梯度功能材料設(shè)計(jì)的目的是為了獲得最優(yōu)化的材料組成和組成分布（曲線）。 在熱防護(hù)梯度功能材料的設(shè)計(jì)中，梯度功能材料所需的物性數(shù)據(jù)的推定方法和梯度功能材料的理論模型和熱應(yīng)力解析方法是兩項(xiàng)主要研究內(nèi)容。它們嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)的正確和精確程度。 二、熱防護(hù)梯度功能材料的種類和合成方法二、熱防護(hù)梯度功能材料的種類和合成方法 熱防護(hù)梯度功能材料主要是陶瓷-金屬系梯度材料。已報(bào)導(dǎo)的有TiC/Ni、TiC/Ti、TiB2/Al、ZrO2/W等。 熱防護(hù)梯度功能材料的主要制備方法有

11、： 1、氣相沉積法 2、等離子噴射沉積法 3、顆粒梯度排列法 4、薄膜疊層法 5、自蔓延高溫合成法 6、離心鑄造法 三、熱防護(hù)梯度功能材料的特性評價(jià)三、熱防護(hù)梯度功能材料的特性評價(jià) 熱防護(hù)梯度功能材料由于其組成和性能是呈梯度變化的，因此不能采用常規(guī)的測試評價(jià)方法。 熱防護(hù)梯度功能材料的特性評價(jià)包括三個(gè)方面。 1、局部熱應(yīng)力評價(jià) 采用激光和超聲波的方法。 2、熱屏蔽性能評價(jià) 它包括熱性能評價(jià)和模擬環(huán)境下熱屏蔽性能評價(jià)。 3、破壞強(qiáng)度評價(jià) 包括斷裂強(qiáng)度評價(jià)、熱沖擊評價(jià)和熱疲勞評價(jià)。 四、熱防護(hù)梯度功能材料的應(yīng)用前景四、熱防護(hù)梯度功能材料的應(yīng)用前景 熱防護(hù)梯度功能材料主要應(yīng)用于航天工業(yè)。它可以用于航

12、天飛機(jī)和宇宙飛船的殼體，如日本已研制成能耐1700的ZrO2/Ni梯度功能材料，準(zhǔn)備用作馬赫數(shù)大于20的可重復(fù)使用的航天飛機(jī)的機(jī)體材料。也可以用作航天飛機(jī)發(fā)動機(jī)的燃燒室材料。還可用于噴氣燃燒器和重復(fù)使用型的火箭燃燒器，如日本國立宇航研究所提出了由梯度功能材料組成的超高溫渦輪葉片的設(shè)想。熱防護(hù)梯度功能材料也可以應(yīng)用于其他的高溫、高磨損領(lǐng)域如各種發(fā)動機(jī)、燃燒室、核反應(yīng)堆等。14.4 梯度功能材料的展望梯度功能材料的展望 梯度功能材料的研究和發(fā)展方向。 （一）進(jìn)一步研究熱防護(hù)梯度功能材料（一）進(jìn)一步研究熱防護(hù)梯度功能材料 熱防護(hù)梯度功能材料的研究仍將以材料設(shè)計(jì)、材料合成和材料特征評價(jià)為中心，集中幾個(gè)方面。 1、提高設(shè)計(jì)的可靠性和精度 2、研究材料組成種類 3、研究材料制備的新工藝 4、建立特性評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法 5、熱防護(hù)梯度功能材料的應(yīng)用前景 （二）進(jìn)一步研究梯度折射率功能材料（二）進(jìn)一步研究梯度折射率功能材料 進(jìn)一步研究制備大尺寸，性能優(yōu)良的梯度折射率材料。研究梯度折