功能梯度材料的發(fā)展及展望

1、梯度功能材料的發(fā)展及展望摘要本文從梯度功能復(fù)合材料(FGM )比較大的萬(wàn)面進(jìn)行論述，包括 FGM 由來(lái)、分類、特征、制備工藝及優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。意在總結(jié)FGM的比較優(yōu)異的制備方法，考慮較多的結(jié)構(gòu)與材料的優(yōu)化，以及比較新的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵詞梯度功能材料制備工藝結(jié)構(gòu)材料優(yōu)化AabtractThis article discusses from the fun cti onal gradie nt material(FGM) relatively large aspects includingoriginclassification, characteristics, preparation proc

2、ess, the advantages, disadvantages and application. Comparing the excellent summary of FGM preparation methods, optimization of structure and material are considered, and the application field is relatively new.Key wordsFGM，preparation process optimize structure1引言人類很早就認(rèn)識(shí)到非均質(zhì)材料存在于自然界中，如骨骼、竹子、巖石等物體中2

3、0世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著航天航空工業(yè)的發(fā)展，材料的隔熱的問(wèn)題成為人們關(guān) 注的焦點(diǎn)，特殊的服役條件使一般的均質(zhì)材料面臨高溫及大溫度梯度的挑戰(zhàn)，即使采用陶瓷或金屬?gòu)?fù)合材料，但由于兩者的膨脹系數(shù)差異，在高溫條件使用時(shí)會(huì) 產(chǎn)生巨大熱應(yīng)力，導(dǎo)致在材料表層出現(xiàn)剝落，使材料失效。針對(duì)這種情況，日本科學(xué)家于1987年首先提出梯度功能復(fù)合材料（FGM） 概念。圖1為FGM示意圖。FGM主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在可以連接兩種不相容材料， 提 高粘結(jié)強(qiáng)度，減小不同材料的之間的殘余應(yīng)力和裂紋驅(qū)動(dòng)力， 消除不同材料的交叉點(diǎn)。I/ 0C0O8C08.魯直力1444!圖1功能梯度材料的結(jié)構(gòu)和特性FGM 是兩種或多種材料復(fù)合組成和結(jié)構(gòu)呈

4、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)功能梯度材料。FGM 按組合方式上分為金屬 /陶瓷、金屬/金屬、陶瓷/非金屬、非金屬 /塑料、 陶瓷/陶瓷、金屬/非金屬。 FGM 按組成變化上分為梯度功能整體型、梯度功能涂 覆型、梯度功能連接性。 FGM 按功能上分為熱防護(hù)功能梯度材料、折射率功能 梯度材料。FGM 的研究包括材料設(shè)計(jì)、材料制備和材料的特性評(píng)價(jià)，材料制備是研究 的核心，材料設(shè)計(jì)為 FGM 合成提供最佳的組成和結(jié)構(gòu)梯度分布，材料特性評(píng)價(jià) 通過(guò)建立針對(duì) FGM 特性的一整套標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)方法，對(duì) FGM 進(jìn)行測(cè)試 ,三者相輔 相成，缺一不可。FGM 具有顯

5、著特征 3：（ 1）組分結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)都呈連續(xù)變化，可提高界 面區(qū)域材料強(qiáng)度； （2）同一材料的兩側(cè)具有不同性質(zhì)或功能， 且結(jié)合良好；（3） 在苛刻的使用條件下性能匹配而不發(fā)生破壞。FGM 一方面避免了金屬和陶瓷之間因物理及力學(xué)性能上的巨大差異所造成 的界面應(yīng)力問(wèn)題，另一方面又能充分緩解材料在使用過(guò)程中因高溫度梯度落差所 產(chǎn)生的熱應(yīng)力。位錯(cuò)和晶界缺陷是引起金屬 /陶瓷梯度材料（ C/M FGM ）損傷和 斷裂的主要基礎(chǔ)。在熱沖擊下， C/M FGM 材料和結(jié)構(gòu)有可能損傷微開(kāi)裂 ,直至斷 裂。C/M FGM材料和結(jié)構(gòu)在熱沖擊下的斷裂是脆性的4。2 梯度功能復(fù)合材料制備工藝FGM 制備工藝方法類別

6、上有物理方法，也有化學(xué)方法。常規(guī)功能梯度材料 制備是在是在基體中摻入強(qiáng)度較高的金屬顆粒或陶瓷顆粒， 顆粒含量向基體內(nèi)部 逐漸減少 5。物理氣相沉積法（ PVD ）：通過(guò)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。 主要用于制備薄膜梯度材料。 若經(jīng)熱處理可以得 到平滑多層薄膜的濃度梯度 , 以達(dá)到最佳的成分分布。徐娜等利用 PVD 法已制 備出 NiCr/ZrO2/Y2O5 、Al/Zr 、ZrO2/NiCrCoAl 等多層 FGM。化學(xué)氣相沉積法 （CVD） ：通過(guò)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。 通過(guò)調(diào)節(jié)原料氣流量和壓

7、力改變 組成和結(jié)構(gòu)。 PCVD 綜合了 PVD 和 CVD 的優(yōu)點(diǎn)， 由于 CVD 溫度一般高于 PVD 溫度，所以在基體低溫側(cè)采用 PVD，高溫側(cè)采用CVD，擴(kuò)大了使用范圍。李運(yùn) 剛等采用該方法已經(jīng)制備出 30mm厚的SiC/C/TiC多層FGM。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)自傳性，使 材料燒結(jié)、 合成的方法。 可通過(guò)加壓來(lái)提高致密度。 適合于生成熱大的化合物的 合成6 。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(guò)控制兩種粉末 相對(duì)供給速率來(lái)預(yù)先設(shè)置混合比率。 使用粉末作為噴涂材料， 以氦氣、氬氣等為 載體，吹入高溫等離子體射流。 等離子體射流把

8、能量傳遞給顆粒， 粉末被熔融后 進(jìn)一步加速， 高速?zèng)_撞基材表面形成涂層。 高速使顆粒撞到固體基體上時(shí)變得相 當(dāng)扁平，使涂層具有相對(duì)低的孔隙率。 研究人員檢測(cè)用鐵基高溫合金金屬粉末與 氧化鋁陶瓷粉末， 結(jié)果表明制備的金屬 /陶瓷 FGM 枝晶無(wú)明顯長(zhǎng)大痕跡且生長(zhǎng)方 向較一致，不同成分之間的晶粒尺寸過(guò)渡自然，無(wú)成分突變現(xiàn)象 7。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模具中進(jìn)行加 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)?？刂聘鹘M分混合比， 使壓后的粉坯梯度層間任一組分濃度變化較小， 梯度層間結(jié)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)力緩和功能梯度材料

9、。 由于較固相燒結(jié)具有更 快的致密化 , 人們紛紛采用液相燒結(jié)。 液相燒結(jié)是將粉末壓實(shí)體加熱到足夠高的 溫度, 使預(yù)制塊中出現(xiàn)液相的燒結(jié)過(guò)程利用粉末冶金法制備FGM ，由于相鄰層材料不同收縮率而出現(xiàn)裂紋，韓國(guó)學(xué)者建立金屬 /陶瓷 FGM 一維收縮率數(shù)學(xué)模 型，可預(yù)測(cè)多層樣品每層中生坯和燒結(jié)體的密度， 進(jìn)而得到樣品的孔隙率， 并最 終控制功能梯度材料的收縮率，實(shí)現(xiàn)無(wú)裂紋金屬 -陶瓷功能梯度材料的制備。碳 化硅顆粒與銅基粉末冶金后界面結(jié)合良好， 強(qiáng)化在于載荷轉(zhuǎn)移、 加工硬化和細(xì)晶 強(qiáng)化8。激光熔覆法:把材料 A 放到基體 B 表面上，用激光將其與 B 基體中表面薄 層一起熔化，在 B 表面形成 B

10、 合金化 A 層。重復(fù)操作，在 B 表面產(chǎn)生 B 含量逐 漸減少的梯度。梯度變化可通過(guò)控制初始 A 層數(shù)量、厚度及熔區(qū)深度來(lái)獲得 9。 目前，該方法已應(yīng)用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、 汽車缸體、 汽輪機(jī)葉片和人體置入 件等表面的改善，制備具有生物活性的功能梯度材料將是未來(lái)該方法的研究熱點(diǎn)。采用此法制備出了 Ti/AI、WC/Ni、Al/SiC系功能梯度材料。圖2激光熔覆方法制備梯度涂層工藝功能梯度材料的制備方法HAT 的 制冇 袪粉末致密浚自蔓延高溫合咸法田等離子噴涂法熱噴涂近積激光熔覆法電沉和法物理氣相沉積法c 1VD)化學(xué)氣相沉和法c (_VD)涂層法氣相機(jī)積分層制審注 形變召氏休相變圖4FGM

11、制備方法優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)戟點(diǎn)氣紳刪法飛休的樂(lè)尢，刪應(yīng)尺應(yīng)強(qiáng)涓農(nóng) 可臥揑制；町制材大尺寸的功 施梯度材料.40匿率慢,戰(zhàn)仞布不 躺連耀輪樹；不能制備出 大號(hào)虎曲梯度膜,涂層與 耳休結(jié)含強(qiáng)度低.設(shè)紿比 加溟雜.1蔓駆燒結(jié)法合成時(shí)聞簸*慷怦單1產(chǎn)品 純度髙r殖率高、離赦k工 單；能憾制征人律和 的梯度材料?？膳P調(diào)蔡赫未的俎成、沉馭率 高、無(wú)需燒站、不受甚林面枳 大出的限r(nóng)hh汾層的界面結(jié)合 裁扈、#t熾沖擊性和熱曠壯 均明顯改苦.威分不均勻，適啟反應(yīng)熱 杓星校大2需耍藝用設(shè)缶.梯度涂是與墓休間的結(jié)a 瞇度不鬲存吃爆圧爼 織、均L空旳疏松、表 面粗槌瞬m彫木冶金法1晶丁揀控制靈活F適丁F 業(yè)主嚴(yán)可以制鈾大尺

12、寸鬥料， 可靠性奇、墳令丁制怡溜狀Lt 較簡(jiǎn)宜內(nèi)戊能櫬度樣料部件.工藝比校復(fù)雜、制備的梯 度林料有一定的孔瓏舸 不能做到林料威井的連續(xù)離M鑄造広能制#彌密度.大尺寸的桶 度材料.限I曾狀咸壞簾零杵.眾此削覆泊熔覆厲皮非?？欤枘固氐脑O(shè)備3梯度功能復(fù)合材料應(yīng)用FGM由于其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出特殊的性能，使其在航天航空、能源 工業(yè)、電子工業(yè)、光學(xué)材料、化學(xué)工程和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。3.1高強(qiáng)度耐熱材料這類是功能梯度材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域，它以陶瓷/金屬組合為主。主要應(yīng)用于 航天工業(yè)、核能源等領(lǐng)域。由于航天飛機(jī)在進(jìn)出大氣層的過(guò)程中，機(jī)頭尖端和機(jī)翼前沿可以達(dá)到1600K的高溫，同時(shí)作為航

13、天飛機(jī)機(jī)體的超耐熱材料要具有高的 強(qiáng)度。有效地利用功能梯度材料的特點(diǎn)，可以很好地滿足航天工業(yè)的要求。功能 梯度材料是未來(lái)航天發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料。FGM可用于航天領(lǐng)域噴漆燃料室和重復(fù)使用型的火箭燃燒器、核反應(yīng)堆材 料，能消除熱傳遞及熱膨脹引起的應(yīng)力，解決內(nèi)層容易剝落的問(wèn)題。石墨為單相潤(rùn)滑劑，制備了氧化鋯基功能梯度材料，通過(guò)調(diào)節(jié)石墨在材料中 的空間分布特征，可以調(diào)節(jié)參與應(yīng)力和性能優(yōu)化。增大梯度層數(shù)和承載層厚度均 有利于梯度材料力學(xué)性能的提高。實(shí)現(xiàn)了陶瓷復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)/潤(rùn)滑功能一體化 10。3.2梯度折射光學(xué)材料梯度折射率微型光學(xué)元件是集成光學(xué)和光計(jì)算機(jī)的主要組件，因此在光學(xué)系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用前景。其

14、中梯度折射率透鏡大大減少組件總數(shù)和非球面組件總 數(shù)、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。FGM組成的光學(xué)系統(tǒng)體積小、數(shù)值孔徑大、焦距短、端面為平面、消像差性好。梯度折射率光纖自聚焦、提高耦合效率 11。生物醫(yī)學(xué)材料動(dòng)物的牙齒、骨頭、關(guān)節(jié)等都是無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料的完美接合，重量輕、 韌性好、硬度高。用功能梯度材料制作的牙齒、骨頭、關(guān)節(jié)等可以較好地接近以 上要求。例如應(yīng)用功能梯度材料制成的牙齒， 埋入生物體內(nèi)部的部分由多孔質(zhì)且 和人體有良好的相容性的陶瓷組成 ,由外向里氣孔減少。露出的外部是硬度高的 陶瓷，為保持強(qiáng)度中心部分由高韌性的陶瓷組成?？梢员ＷC生物相容性的同時(shí)， 提供一定的強(qiáng)度支持。將金屬鈦與生物活性陶瓷梯度設(shè)計(jì)能

15、緩和種植義齒與頜骨結(jié)合界面之間的 應(yīng)力集中， 并提高生物力學(xué)相容性及生物活性， 增強(qiáng)種植體的早期穩(wěn)定性與長(zhǎng)期 結(jié)合性。利用人造骨骼梯度多孔鈦合金采用粉末冶金的方法制得的梯度材料層間 厚度精確、開(kāi)孔連通性良好、界面準(zhǔn)連續(xù) 12。電子材料隨電子儀器日趨輕量化、 高密度化和微型化，迫切需要電子元件基板一體化、 二維或三維復(fù)合型電子產(chǎn)品用 FGM 來(lái)制造非常適合。 PZT 壓電陶瓷用于制造超 聲波振子、陶瓷濾波器等電子元件但其在溫度穩(wěn)定性和失真震蕩方面存在問(wèn)題。 通過(guò)調(diào)整材料梯度化， 能使壓電系數(shù)和溫度系數(shù)等性能得到最恰當(dāng)?shù)姆峙洌?提高 壓電陶瓷性能 13 。其他領(lǐng)域采用介電功能梯度材料（ d-FGM

16、 ）在絕緣領(lǐng)域提升耐電強(qiáng)度的原理在于 d-FGM 的介電常數(shù)由外電極向內(nèi)漸變遞增時(shí)，如圖所示，原先的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)被 有效降低而弱場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)則被提升， 電場(chǎng)分布趨于均勻， 局部電場(chǎng)集中問(wèn)題將得到 解決。通過(guò) d-FGM 調(diào)控絕緣系統(tǒng)的電場(chǎng)分布，抑制局部電場(chǎng)集中現(xiàn)象，將能夠 顯著提升絕緣系統(tǒng)的耐電強(qiáng)度和使用壽命。 刀具采用功能梯度涂層能解決結(jié)高性 能刀具合力的問(wèn)題 14。I 刀 勸I J/ir TH jM* * b- * 冒1二仃吟町rlid|介電匕幻寸申ici 11 Hh 陽(yáng)圖5不同類型絕緣結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)及電場(chǎng)分布對(duì)比FGM涂層與整體結(jié)構(gòu)陶瓷相比，集金屬?gòu)?qiáng)韌性、可加工性、導(dǎo)熱導(dǎo)電和陶 瓷材料耐高溫、

17、耐磨損、耐侵蝕于一身。而且制涂層品種多、功能廣、基體材質(zhì) 多、制粉方法多、不受尺寸和場(chǎng)所限制、沉積速度快、厚度可控等優(yōu)點(diǎn)。梯度涂 層與基體間的結(jié)合是以強(qiáng)化學(xué)作用的鍵結(jié)合為主 ，其結(jié)合力遠(yuǎn)大于均勻陶瓷涂層 與金屬基體間的結(jié)合力15。熔融的合金粉末到達(dá)基體表面時(shí)，產(chǎn)生放熱反應(yīng)持續(xù)數(shù)微秒，這樣使涂層與 基體之間形成牢固的冶金結(jié)合，冶金層厚度可達(dá) 1 m左右。同時(shí),涂層的表面粗 糙，容易與其它涂層結(jié)合。產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合的涂層具有較好的抗氧化性和抗腐蝕性。 FGM涂層目前比較一致的看法是以機(jī)械結(jié)合為主， 除此之外還有物理化學(xué)結(jié)合。用于食品過(guò)濾的梯度316L不銹鋼采用選區(qū)激光熔化成型，不同選區(qū)對(duì)應(yīng)不 同的掃描

18、速率，選區(qū)間形成界面、層間平行度好、界面明顯。用于吸聲降噪梯度 多孔鋁合金采用熔滲法開(kāi)孔連通性好、界面不影響聲波吸收，生坯粒徑梯度造成 多孔鋁合金的界面16。為了保證拉絲機(jī)卷筒有剛度、有韌性并且耐磨，可采用滲碳、滲氮、熱噴涂 硬質(zhì)合金、熱噴涂陶瓷等方法；為提高拉絲模的使用壽命 ，可采用化學(xué)氣相沉積 法對(duì)拉絲模進(jìn)行碳化鈦、氮化鈦等涂層；為了增加鋼絲與橡膠的結(jié)合力，采用熱擴(kuò)散鍍黃銅的方法，形成內(nèi)層與鋼有良好結(jié)合力、外層與橡膠有良好結(jié)合力的性 能呈梯度變化的鍍黃銅鋼絲功能材料。能源方面，F(xiàn)GM應(yīng)用于燃料和太陽(yáng)能電池、熱電設(shè)備，表現(xiàn)出高的熱傳導(dǎo) 率和輻射放熱率，并提高材料的耐熱、耐熱沖擊性能。在核工程

19、方面，F(xiàn)GM主要用于核熔爐的內(nèi)壁等原子反應(yīng)堆的核心部件、等離子測(cè)量分流器，具有耐熱、 耐輻射、耐腐蝕等性能如梯度耐輻射材料具有良好的熱應(yīng)力松池。圖6 FGM在各領(lǐng)域中的具體應(yīng)用工業(yè)報(bào)毘應(yīng)甲舉咧功能宇航工業(yè)忖;飛機(jī)機(jī)it發(fā)動(dòng)忸懺燒重FJ堡耐蕊神擊、隔林、耐對(duì)嘖裁應(yīng)R巍和機(jī)啪工程廩動(dòng)機(jī)工目槎，射張、制動(dòng)誥及耳他零都件耐熱耐耐置高礦強(qiáng)韌性核能工程反應(yīng)堆主壁用用邊尊蔦子師測(cè)號(hào)可膠身:性耐擔(dān)應(yīng)力*進(jìn)光性.耐誦抽性光電H程犬功車扇吮嚎,亙印呱追鏈.吮丼轉(zhuǎn)巨M應(yīng)丈1垛卡口亟登光電性，小度折期化學(xué)H程高分于卓僮化亂度曲話熾燒電利爭(zhēng)fft熱，耐培誼,高強(qiáng)度右寫命等生狗醫(yī)宇人誥牙嗇點(diǎn)辭.矢節(jié)、善盲、仍牛T稈制品高

20、的匕蒂克比棋雖、吊亍愈合、條額等電瓏二程陶瓷過(guò)號(hào)理*振高理*坯盤.永坯肅電薙體等電皤梯度吐熬導(dǎo)電及鉅縷璀度功能零光纖無(wú)件.低仇呻威爲(wèi)言音峙感碼廉百倩已偉遞料變應(yīng)JT溢.減居皐量民用及建說(shuō)妖、纖肆，衣物備品、熾具商i瑁熱0宰,冇希好健、淒貫降聞等4結(jié)論與展望梯度功能材料自應(yīng)用以來(lái)受到廣泛關(guān)注，已制備的梯度功能材料樣品的體積 小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，還不具有較多的實(shí)用價(jià)值。主要發(fā)展方向是低成本、大尺寸和復(fù) 雜形狀、更精確控制梯度組成及工藝機(jī)理。FGM的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代材料的設(shè)計(jì)思想進(jìn)入了高性能新型材料的開(kāi)發(fā)階 段。另外無(wú)論應(yīng)用在哪個(gè)領(lǐng)域，都希望梯度功能材料在結(jié)構(gòu)與材料方面進(jìn)行更好 的性能優(yōu)化，能解決更多實(shí)際問(wèn)題。參考文獻(xiàn)張光輝金屬一陶瓷梯度材料強(qiáng)度問(wèn)題的理論研究D.武漢理工大學(xué)，2004.晏鮮梅，熊惟皓，鄭立允.表面處理制備Ti(C,N)基金屬陶瓷功能梯度材料J.稀有金屬材料與工程,2016,35(2):50-52.李云凱，王勇，鐘家湘等.功能梯度材料J.材料導(dǎo)報(bào),2002,16(10):9-11.王雙