功能梯度材料

FGMtfFGMtf功能梯度材料(FunctlonallyGradedMateriaL簡(jiǎn)稱FGM)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的材料制備技術(shù)，使材料的組成，結(jié)構(gòu)沿厚度方向呈梯度變化。從而使材料的性能也呈梯度變化的一種新型材料。他是1987年由日本學(xué)者平井敏雄等為解決高速航空航天器中材料的熱應(yīng)力緩和問(wèn)題最早提出的。航天飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的并列噴氣燃燒器或再用型火箭燃燒器，由于氣體燃燒溫度高達(dá)2000^，燃燒室壁所承受的熱負(fù)荷可達(dá)100MW/m2,同時(shí)航天飛機(jī)中的某些部件一側(cè)受高溫?zé)嶝?fù)荷，另一側(cè)用液氫冷卻，兩側(cè)溫差高達(dá)1000r以上，致使材料內(nèi)部產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力。因此要求材料具有良好的耐熱性、隔熱性、長(zhǎng)壽命和強(qiáng)韌性等特性。FGM研究分三個(gè)部分；材料設(shè)計(jì)、材料制備、材料性能評(píng)價(jià)。圖示出了FGM的開(kāi)發(fā)流程，采用逆向設(shè)計(jì)法，根據(jù)組元物性，利用有限元計(jì)算程序?qū)GM優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，制備FGM，最后由材料性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)對(duì)材料設(shè)計(jì)和制備進(jìn)行評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)系就敷掘討ftl元方法燼應(yīng)力分析不合格*定工藝功能梯度材料是一種多相材料，其材料宏觀特性在空間位置上呈現(xiàn)梯度變化，消除了材料的物理性能突變現(xiàn)象，較好地避免或降低應(yīng)力集中，達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)整體使用性能的目的。功能梯度材料在航空航天、電子器件、人造臟器、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等諸多方面都有廣泛的應(yīng)用功能梯度材料并不是什么新材料。古人很早就根據(jù)這種思路來(lái)煉鐵，在日本出土的一把劍刃上，我們可以看到劍鋒、刃部和主體的顏色是不同的，這說(shuō)明它們的成分也是不同的。大自然早就把這個(gè)概念引入生物組織中了，例如，動(dòng)物的骨頭就是一種梯度結(jié)構(gòu)，外部堅(jiān)韌，內(nèi)部疏松多孔。廚房使用的一把菜刀刀刃部需要硬度高的材料，而其他部位的材料則應(yīng)該具有高強(qiáng)度和韌性功能梯度材料的應(yīng)用領(lǐng)域是非常廣泛的，由于它具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，抗熱沖擊，耐高溫等性能等特點(diǎn)，在航空航天，電子器件，人造臟器、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、化工部件等諸多方面都有廣泛的應(yīng)用。在通信領(lǐng)域里，功能梯度材料可以制造多模光纖，這種光導(dǎo)纖維的光學(xué)折射率從軸心至外層是逐漸變小的，而且能夠在其他領(lǐng)域中作為極端條件下使用的材料。

目前最流行的Ti/Al2O3梯度材料采用一定梯度復(fù)合技術(shù)制備的A12O3系FGM組分從純金屬Ti端連續(xù)過(guò)渡到純陶瓷A12O3端，使材料既具有金屬Ti的優(yōu)良性能，又具有A12O3陶瓷的良好的耐熱、隔熱、高強(qiáng)及高溫抗氧化性，同時(shí)由于中間成分的連續(xù)變化，消除了材料中的宏觀界面，整體材料表現(xiàn)出良好的熱應(yīng)力緩和特性，使之能在超高溫、大溫差、高速熱流沖擊等苛刻環(huán)境條件下使用，可望用做新一代航天飛機(jī)的機(jī)身、燃燒室內(nèi)壁等以及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、高效燃?xì)廨啓C(jī)等提供超高溫耐熱材料。A12O3系FGM制備技術(shù)探索FGM的制備技術(shù)種類非常多，但迄今為止，用于A12O3系梯度功能材料制備的方法主要有以下幾種。1.1自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法（se1f-prepagatinghigh-tempraturesynthesis，以下簡(jiǎn)稱SHS）作為制備金屬-陶瓷復(fù)合材料的新方法起源于20世紀(jì)80年代，目前在梯度材料制備中應(yīng)用非常廣泛。它是利用本身的化學(xué)反應(yīng)熱使材料固結(jié)的一種方法，其基礎(chǔ)是組元之間的化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，形成燃燒波能使化學(xué)反應(yīng)自發(fā)地維持下去。該法具有制備過(guò)程簡(jiǎn)單、反應(yīng)迅速且能耗少、產(chǎn)品純度高、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)，但是，利用SHS法制備金屬-陶瓷復(fù)合材料也存在合成產(chǎn)物孔隙率大以及反應(yīng)過(guò)程速度快、溫度高，致使陶瓷相的大小和形貌難以控制等不足，如果在材料制備過(guò)程中同時(shí)施加壓力，則可以得到高密度的燃燒產(chǎn)品。李益民等人分別采用無(wú)壓SHS法及爆炸固結(jié)+SHS兩種方法制備了完整的A12O3系梯度材料。結(jié)果表明，用無(wú)壓SHS法制備的FGM致密度比較低，只有82%，而且材料各個(gè)方向收縮率不同，軸向收縮較多，徑向收縮不均勻；而采用爆炸固結(jié)+SHS法制備的FMG的致密度達(dá)到94%，制品完整無(wú)裂紋。1.2激光加熱合成法激光是一種受激輻射的特殊光源，經(jīng)聚焦后可以達(dá)到極高的功率密度。20世紀(jì)90年代初期，日本學(xué)者結(jié)成正弘等開(kāi)創(chuàng)附加溫度激光掃描燒結(jié)PSZ-Mo系梯度材料的新方法，將激光加工技術(shù)引入梯度材料的研究，探討梯度材料常規(guī)燒結(jié)技術(shù)即爐內(nèi)恒溫?zé)Y(jié)法難以解決的不同成分梯度層的燒結(jié)溫度差異和收縮量差異的重大難題，展示了激光加熱源溫度梯度燒結(jié)無(wú)污染、高效率等優(yōu)點(diǎn)。目前激光在梯度材料制備中的應(yīng)用還比較少，李克平等人采用激光加熱制備了A12O3系FGM，這是國(guó)內(nèi)首例使用激光加熱法燒結(jié)梯度材料粉末坯體。1.3干式噴涂+溫度梯度燒結(jié)法A.OTSUKA］等利用該法在Ti基體上制備了Ti/A12O3梯度涂層。其主要工藝過(guò)程是先將一定混合比的，Ti與A12O3混合粉末放入等離子氣體室中，利

用高頻射流使原料粉末變成超細(xì)粒子，然后冷卻，使其轉(zhuǎn)化成氣溶膠狀態(tài)噴涂在Ti基體上，通過(guò)控制喂料過(guò)程中Ti/Al2O3比例的連續(xù)變化，得到Ti/Al2O3梯度涂層，然后將所得涂層連同基體一起放入自制的特殊燒結(jié)爐中，利用溫度梯度燒結(jié)。為了控制燒結(jié)過(guò)程中基體與涂層間收縮率差異，制備過(guò)程中在Ti基體中加入5%左右的Ti-或Zr-的氫化物，使二者收縮達(dá)到一致，最終得到了與基體結(jié)合良好的致密的Ti/Al2O3梯度涂層。該工藝中運(yùn)用超細(xì)顆粒可以降低制品的燒結(jié)溫度，得到的梯度涂層結(jié)品細(xì)小、良好，使涂層的性能大大提高，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較復(fù)雜，設(shè)備要求高。1.4顆粒共沉降制備工藝探索可見(jiàn)，上述Ti/Al2O3系梯度材料現(xiàn)有制備工藝各有利弊，而且都不適合制備大體積以及特異形狀的梯度材料。因此，要加快該體系梯度材料的實(shí)用化進(jìn)程，就必須對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn)或者探索材料制備新工藝。對(duì)于金屬一陶瓷梯度材料來(lái)說(shuō)，即要充分發(fā)揮其優(yōu)越的耐熱性能，同時(shí)又要大大緩和熱應(yīng)力，就必須使所得梯度材料的成分和組織在厚度方向上盡可能連續(xù)變化，以最大限度地緩和熱應(yīng)力。為達(dá)到這一要求，作者目前正在探索利用共沉降法制備Ti/Al2O3系梯度材料。共沉降法制備梯度材料是近年發(fā)展起來(lái)的一種材料制備新技術(shù)，其理論基礎(chǔ)就是stokes定律.球形顆粒在重力作用下的沉降速度與顆粒的大小與密度有關(guān)。 可以推論，在一定條件下，同種粉末沉降時(shí)，顆粒大的沉降快；不同種粉末共沉降時(shí)，顆粒度大的，密度大的沉降快。因而，對(duì)于給定的2種粉末，通過(guò)調(diào)整沉降參數(shù)和選擇合適的粉末特性，就可以控制2種粉末的沉降行為，制備出組分連續(xù)分布的梯度材料。利用該方法制備FGM具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、得到的梯度材料成分漸變性更好等許多特點(diǎn)。共沉降法已經(jīng)成為梯度功能材料領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，到目前為止，在其理論研究，如沉降模型的建立以及實(shí)驗(yàn)研究等方面已取得了較大進(jìn)展，利用該法制備Ti/Al2O3系梯度材料既有理論基礎(chǔ)又有實(shí)踐優(yōu)勢(shì).1.5氣相沉積法通過(guò)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FGM。然而，材料制備工藝的選取以及制備過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)的確定都不是隨意的，必須建立在對(duì)復(fù)合體系特性的全面了解和對(duì)材料制備工藝、結(jié)構(gòu)形成與性能三者之間關(guān)系的深入研究基礎(chǔ)之上。Ti/Al2O3系梯度功能材料是一種具有優(yōu)良性能及廣闊應(yīng)用前景的超高溫耐熱材料。目前，對(duì)其制備技術(shù)及Ti與Al2O3之間的潤(rùn)濕性、界面反應(yīng)情況有了較多的研究，但是對(duì)其界面