梯度復(fù)合材料簡單介紹.

1、功能梯度材料功能梯度材料Functionally Graded Materials小組成員：小組成員：楊楊 馬馬 周周 馬馬功能梯度材料功能梯度材料 有志者，事竟成，破釜沉舟，有志者，事竟成，破釜沉舟，百二秦關(guān)終屬楚；百二秦關(guān)終屬楚；苦心人，天不負(fù)，臥薪嘗膽，苦心人，天不負(fù)，臥薪嘗膽，三千越甲可吞吳。三千越甲可吞吳。 說的是越王勾踐，他有一把劍說的是越王勾踐，他有一把劍功能梯度材料功能梯度材料 人造梯度功能材料并不是新事物。越王勾踐劍深埋地人造梯度功能材料并不是新事物。越王勾踐劍深埋地下下2400多年，多年，1965年出土?xí)r依舊寒光逼人，鋒利無比。年出土?xí)r依舊寒光逼人，鋒利無比。1977年年1

2、2月，復(fù)旦大學(xué)與中科院等對劍進(jìn)行了無損檢月，復(fù)旦大學(xué)與中科院等對劍進(jìn)行了無損檢測。發(fā)現(xiàn)其主要成分是銅、錫及少量的鋁、鐵、鎳、測。發(fā)現(xiàn)其主要成分是銅、錫及少量的鋁、鐵、鎳、硫。劍的各個(gè)部位銅和錫的比例不一。劍脊含銅較多，硫。劍的各個(gè)部位銅和錫的比例不一。劍脊含銅較多，韌性好，不易折斷；刃部含錫高，硬度大，使劍非常韌性好，不易折斷；刃部含錫高，硬度大，使劍非常鋒利；花紋處含硫高，硫化銅可防銹蝕鋒利；花紋處含硫高，硫化銅可防銹蝕,形成了良好的形成了良好的成分梯度。成分梯度。梯度功能材料早就出現(xiàn)在自然界中。 竹子是一種典型的梯度功能材料，人類和動(dòng)物身體中的骨骼也是一種梯度材料，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中的最強(qiáng)單元

3、承受最高的應(yīng)力。 生物的梯度結(jié)構(gòu)與人造梯度結(jié)構(gòu)之間存在很大差異。有生命的FGM是“有智能的”，它們能感受所處環(huán)境的變化(包括局部應(yīng)力集中)，產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修改，而人造梯度材料至少在目前還缺乏這種功能。功能梯度材料竹子竹子竹節(jié)中纖維素含量變化竹節(jié)中纖維素含量變化功能梯度材料功能梯度材料一、產(chǎn)生背景一、產(chǎn)生背景二、概念二、概念三、設(shè)計(jì)過程三、設(shè)計(jì)過程四、制備工藝四、制備工藝五、發(fā)展方向五、發(fā)展方向六、應(yīng)用六、應(yīng)用功能梯度材料功能梯度材料 產(chǎn)生背景產(chǎn)生背景 人類很早就認(rèn)識(shí)到非均勻材料廣泛存在于自然界中，如巖石、竹子、牙齒、骨骼等生命或非生命物體，并且其中一些的應(yīng)用已有數(shù)千年的歷史。世紀(jì)年代以來，隨著

4、航空航天工業(yè)的發(fā)展，材料的隔熱成了最大的問題，特殊的服役環(huán)境致使一般的勻質(zhì)材料面臨著高溫和大的溫度梯度的挑戰(zhàn)，即使足采用陶瓷或金屬復(fù)合材料，由于兩者的熱膨脹系數(shù)的差異，在高溫使用時(shí)也會(huì)產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致在材料表層出現(xiàn)剝落或龜裂，使材料失效。功能梯度材料功能梯度材料 產(chǎn)生背景產(chǎn)生背景 隨著應(yīng)航天航空的需要，兩日本人（新野正之、平井敏雄）于1986年首先提出的，其實(shí)我們祖先早在2400多年前就已生產(chǎn)了。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(dòng)力，消除不同材料界面的交叉點(diǎn)。功能梯度材料 概念 梯度功能材料梯度功能材料(FGM)是兩

5、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；它要求功能、性能隨內(nèi)部位置的變化而變化，實(shí)現(xiàn)功能梯度的材料。 FGM，又稱傾斜功能復(fù)合材料。功能梯度材料 概念材料顯著特征：組分結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)都呈連續(xù)變化; 同一件材料的兩側(cè)具有不同性質(zhì)或功能，且能完美結(jié)合; 在苛刻的使用條件下性能匹配而不發(fā)生破壞。功能梯度材料 概念金屬陶瓷金屬非金屬陶瓷陶瓷非金屬塑料陶瓷非金屬金屬/金屬梯度功能材料組合方式上分功能梯度材料 概念、組成變化上分： （1）梯度功能整體型(從一側(cè)到另一側(cè)組成梯度變化) （2）梯度功能涂履型(涂層的組成梯度變化) （3）梯度功能連接型(粘接接縫的組成梯度變化) 、功能上分

6、： （1）熱防護(hù)梯度功能材料 （2）折射率梯度功能材料功能梯度材料 概念注意：注意： 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)別材料混雜材料復(fù)合材料梯度材料設(shè)計(jì)思想分子、原子級(jí)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/物理鍵/化學(xué)鍵微觀組織均質(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粉末冶金法 將金屬、陶瓷等粉末按一定將金屬、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到模具中梯度分布直接填充到模具中加壓燒結(jié)；也可將不同組分加壓燒結(jié)；也可將不同組分粉末壓成薄膜

7、粉末壓成薄膜/ /片后進(jìn)行疊層片后進(jìn)行疊層燒結(jié)。燒結(jié)。 控制各組分混合比，使壓后控制各組分混合比，使壓后的粉坯梯度層間任一組分濃的粉坯梯度層間任一組分濃度變化較小，梯度層間接合度變化較小，梯度層間接合緊密。緊密。 調(diào)節(jié)粉末粒度分布和燒結(jié)工調(diào)節(jié)粉末粒度分布和燒結(jié)工藝，可得良好熱應(yīng)力緩和的藝，可得良好熱應(yīng)力緩和的梯度功能材料。梯度功能材料。通過粉末混合燒結(jié)形通過粉末混合燒結(jié)形成的成的FGM結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖粉末冶金法按其成型工藝可分為直接填充法噴射積層法薄膜疊層法離心積層法粉漿澆注法1.直接填充法 混合粉體經(jīng)造粒、調(diào)整流動(dòng)性后直接按所需成分在壓模內(nèi)逐層充填，并壓制成型。 此法雖工藝簡便，但其成分

8、分布只能此法雖工藝簡便，但其成分分布只能是階梯式的。是階梯式的。功能梯度材料功能梯度材料 制備工藝制備工藝2.噴射積層法 原料粉體各自加入分散劑攪拌成懸浮液，混合均勻后，一邊攪拌混合，一邊用壓縮空氣噴射到預(yù)熱的基板上，通過計(jì)算機(jī)控制粉末漿的流速及X-Y平臺(tái)的移動(dòng)方式，即可得到成分連續(xù)變化的沉積層。噴射沉積層經(jīng)干燥后冷壓成型，在熱壓燒結(jié)即得到FGM。該工藝的最大特點(diǎn)是：可連續(xù)改變粉末積該工藝的最大特點(diǎn)是：可連續(xù)改變粉末積層的組成，控制精度高，是很有發(fā)展前途層的組成，控制精度高，是很有發(fā)展前途的梯度基層法的梯度基層法。3.薄膜疊層法 在陶瓷和金屬粉末體原料中加入微量粘結(jié)劑與分散劑，用振動(dòng)磨混合制漿

9、并經(jīng)減壓攪拌脫泡，用刮漿刀制成厚度10200um的薄膜，將不同比例的薄膜疊層壓制，脫除黏合劑后，加壓燒結(jié)陳階梯狀FGM。要注意調(diào)節(jié)粉末粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性，防止燒結(jié)式出現(xiàn)裂紋和層間剝落。4.離心積層法 將原料粉末體快速混合后送入高速離心機(jī)中，粉末在離心力作用下緊密沉積于離心機(jī)內(nèi)壁，改變混合比可獲得連續(xù)成分梯度分布，經(jīng)過注蠟處理后，離心沉積具有一定生坯強(qiáng)度，可經(jīng)受切割、冷壓等后續(xù)成型加工，最后再燒結(jié)處理即可。該工藝沉積速度極快，目前實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下，沉積直徑15mm、高5mm、壁厚510mm的FGM圓環(huán)僅需5min。5.粉漿澆注法 將原料粉均勻混合成漿料，通過連續(xù)控制粉漿配比，注入模型內(nèi)部，可

10、得到成分連續(xù)變化的試件，經(jīng)干燥在熱壓燒結(jié)成FGM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)置混合控制兩種粉末的相對供給速率來預(yù)先設(shè)置混合比率。比率。 使用粉末作為噴涂材料，以氦氣、氬氣等氣體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。等離子體射為載體，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)一步加流把能量傳遞給顆粒，粉末被熔融后進(jìn)一步加速，高速?zèng)_撞在基材表面形成涂層。高速使顆速，高速?zèng)_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，使涂層具粒撞

11、到固體基底上時(shí)變得相當(dāng)扁平，使涂層具有相對低的孔隙率。有相對低的孔隙率?；瘜W(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 兩種氣相物質(zhì)在反應(yīng)器中均勻混合，在一定條件下發(fā)生兩種氣相物質(zhì)在反應(yīng)器中均勻混合，在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使生成的固相物質(zhì)在基板上沉積以制備化學(xué)反應(yīng)，使生成的固相物質(zhì)在基板上沉積以制備FGM的方法。的方法。 CVD法可通過法可通過選擇合成溫度、調(diào)節(jié)原料氣流量和壓力等選擇合成溫度、調(diào)節(jié)原料氣流量和壓力等來控制來控制FGM各組元的成分和結(jié)構(gòu)，而且可各組元的成分和結(jié)構(gòu)，而且可鍍復(fù)雜形狀的鍍復(fù)雜形狀的表面表面；沉積面光滑致密，沉積率高，成為制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)；沉積面光滑致密，沉積率高，成為制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的的F

12、GM涂層關(guān)鍵技術(shù)之一。涂層關(guān)鍵技術(shù)之一。CVD工藝原理圖工藝原理圖物理氣相層積法物理氣相層積法 PVD法是通過物理法使源物質(zhì)加熱蒸發(fā)，進(jìn)而在基法是通過物理法使源物質(zhì)加熱蒸發(fā)，進(jìn)而在基板上沉積成膜的一種制備材料的方法。板上沉積成膜的一種制備材料的方法。 PVD法可制備多層不同物質(zhì)的膜法可制備多層不同物質(zhì)的膜； PVD法得到的膜較薄，每層膜是單純某物系，常和法得到的膜較薄，每層膜是單純某物系，常和CVD法結(jié)合使用；法結(jié)合使用； 目前已制出目前已制出TiC/Ti、TiN/Ti、CrN/Cr 、TiAlN/Ti和和SiC/C/TiN等多層梯度功能材料。等多層梯度功能材料。PVD鍍膜器件鍍膜器件激光熔敷

13、法激光熔敷法 把材料把材料A放到基底放到基底B表面上，用激光將其與表面上，用激光將其與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表面形成表面形成B合金化的合金化的A層。層。 重復(fù)操作，在重復(fù)操作，在B表面產(chǎn)生表面產(chǎn)生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層的數(shù)量、厚度及熔區(qū)深層的數(shù)量、厚度及熔區(qū)深度來獲得。度來獲得。激光熔覆將材料激光熔覆將材料A合金化到材料合金化到材料B制備制備FGM示意圖示意圖自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法 通過通過初始反應(yīng)物濃度分布的空間變化，利用粉末混合初始反應(yīng)物濃度分布的空間變化，利用粉末混合物化學(xué)反

14、應(yīng)產(chǎn)生的熱量和反應(yīng)自傳播性物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和反應(yīng)自傳播性，使材料燃燒，使材料燃燒和合成來制備和合成來制備FGM的方法稱為自蔓延高溫合成法。的方法稱為自蔓延高溫合成法。 該法的特點(diǎn)是該法的特點(diǎn)是利用放熱反應(yīng)的能量使化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)持利用放熱反應(yīng)的能量使化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)持續(xù)下去續(xù)下去，操作簡單，反應(yīng)迅速，最適合于生成熱大的，操作簡單，反應(yīng)迅速，最適合于生成熱大的化合物的合成如化合物的合成如AlN、TiC、TiB2等。等。自蔓延高溫合成自蔓延高溫合成自蔓延合成材料自蔓延合成材料功能梯度材料功能梯度材料 發(fā)展方向發(fā)展方向（）性能評(píng)價(jià)方面（）性能評(píng)價(jià)方面 對于常規(guī)的工程材料，在性能測定上一般認(rèn)為是均勻材質(zhì)，

15、只有在特殊要求下才考慮材料的各向異性；對于，它的組成和性能是呈梯度變化的，用常規(guī)的測試方法失去了實(shí)際意義，而國內(nèi)外也沒有建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，它已成為制約發(fā)展的因素之一。 功能梯度材料功能梯度材料 發(fā)展方向發(fā)展方向（）性能評(píng)價(jià)方面（）性能評(píng)價(jià)方面 目前的性能大多建立在與普通材料（如機(jī)體材料）對比的基礎(chǔ)上，因此選擇適合的檢測手段和建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系顯得尤為重要。性能評(píng)價(jià)主要包括：熱性能評(píng)價(jià)，包括熱應(yīng)力緩和特性評(píng)價(jià)、熱疲勞特性評(píng)價(jià)、隔熱性能評(píng)價(jià)、熱沖擊性能評(píng)價(jià)。其它性能評(píng)價(jià)，如的耐磨、耐腐蝕、電磁、耐輻射等性能的評(píng)價(jià)方法也值得研究和探索。功能梯度材料功能梯度材料 發(fā)展方向發(fā)展方向（）制備工藝方面（）制備

16、工藝方面 常規(guī)的制備方法一般只能制造尺寸小、形狀簡單的。開發(fā)和應(yīng)用新的制備技術(shù)，如仿生法、微波合成與燒結(jié)法、分子自組裝法、無壓浸滲法、超分子復(fù)合法、快速成型法、形變與馬氏體相變法等，深入研究電、磁、光、高能射線等對工藝的影響，為梯度材料的制備提供更廣闊的途徑。功能梯度材料功能梯度材料 發(fā)展方向發(fā)展方向（）計(jì)算機(jī)模擬方面（）計(jì)算機(jī)模擬方面 根據(jù)材料實(shí)際的服役環(huán)境，使用計(jì)算機(jī)尋找合適的梯度材料體系并根據(jù)制備工藝選擇合適的成分梯度，為新材料的研制提供理論依據(jù)；同時(shí)使用數(shù)值模擬軟件對已經(jīng)存在的梯度材料體系進(jìn)行優(yōu)化，包括影響材料整體性能的成分分布、應(yīng)力分布等。梯度功能材料的應(yīng)用梯度功能材料的應(yīng)用航天工業(yè)

17、航天工業(yè) 航天飛機(jī)在往返大氣層的過程中，機(jī)頭前端和機(jī)翼航天飛機(jī)在往返大氣層的過程中，機(jī)頭前端和機(jī)翼前沿服役溫度約前沿服役溫度約2000K，冷表面的溫度低于，冷表面的溫度低于1000K。 把直徑為把直徑為11.5 m的高純石英纖維加壓成型，的高純石英纖維加壓成型，1290燒成后再按要求切成外形不同、大小不等的燒成后再按要求切成外形不同、大小不等的“磚塊磚塊”，粘貼到航天飛機(jī)蒙皮上。這種復(fù)合材料，粘貼到航天飛機(jī)蒙皮上。這種復(fù)合材料防熱系統(tǒng)的重復(fù)使用性、可靠性等存在很大問題。防熱系統(tǒng)的重復(fù)使用性、可靠性等存在很大問題。發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)的陶瓷熱防護(hù)盔甲發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)的陶瓷熱防護(hù)盔甲2003年年2月月1日

18、，日，“哥倫比亞哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)爆炸，原因號(hào)航天飛機(jī)爆炸，原因就是這架航天飛機(jī)就是這架航天飛機(jī)左翼在起飛時(shí)遭到從燃料箱上脫落的左翼在起飛時(shí)遭到從燃料箱上脫落的泡沫絕緣材料撞擊泡沫絕緣材料撞擊，造成機(jī)體表面隔熱保護(hù)層出現(xiàn)了大，造成機(jī)體表面隔熱保護(hù)層出現(xiàn)了大面積松動(dòng)和破損，形成可讓面積松動(dòng)和破損，形成可讓“熱氣進(jìn)入的空洞熱氣進(jìn)入的空洞”，返航，返航途中因超高溫空氣入侵而徹底解體。途中因超高溫空氣入侵而徹底解體。起飛時(shí)燃料箱上的脫落物擊中機(jī)翼起飛時(shí)燃料箱上的脫落物擊中機(jī)翼飛機(jī)的左翼上有兩條清晰的裂紋飛機(jī)的左翼上有兩條清晰的裂紋 在兩種表面按照基體在兩種表面按照基體/陶瓷比率設(shè)計(jì)具有梯度的金陶瓷比

19、率設(shè)計(jì)具有梯度的金屬基或碳基復(fù)合結(jié)構(gòu)可解決上述問題。屬基或碳基復(fù)合結(jié)構(gòu)可解決上述問題。設(shè)計(jì)梯度熱防護(hù)功能材料設(shè)計(jì)梯度熱防護(hù)功能材料船舶工業(yè)船舶工業(yè) 在艦船甲板上可采用含熱障的、抗摩擦或抗沖擊在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(jí)梯度，顯著提高它們的缺口阻力，抑制微的逐級(jí)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，對艦船的防護(hù)及搭載飛行器具有重和沖擊性能，對艦船的防護(hù)及搭載飛行器具有重要意義。要意義。航空母艦甲板航空

20、母艦甲板汽車工業(yè)汽車工業(yè) 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底上噴涂厚度大于2mm的的ZrO2涂層。如果直接在金涂層。如果直接在金屬上覆蓋陶瓷，在構(gòu)件投入使用前就會(huì)導(dǎo)致界面脫屬上覆蓋陶瓷，在構(gòu)件投入使用前就會(huì)導(dǎo)致界面脫層。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)合梯陶瓷復(fù)合梯度涂層，可保證涂層力學(xué)完整性，保護(hù)活塞。度涂層，可保證涂層力學(xué)完整性，保護(hù)活塞。柴油機(jī)活塞頭柴油機(jī)活塞頭汽油機(jī)活塞頭汽油機(jī)活塞頭能源工業(yè)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，其內(nèi)壁材料采用單，其內(nèi)壁材料采用單純雙層結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)不好，孔洞較多，熱應(yīng)力下有純雙層結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)不好，孔洞較多，熱應(yīng)力下有剝離傾向。剝離傾向。 采用金屬采用金屬/陶瓷結(jié)合的梯度材料，能消除熱傳遞及熱陶瓷結(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，可替代目前不銹膨脹引起的應(yīng)力，解決界面問題，可替代目前不銹鋼鋼/陶瓷復(fù)合材料。陶瓷復(fù)合材料。核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆光學(xué)器件工業(yè)光學(xué)器件工業(yè) 梯度功能材料推動(dòng)一