梯度復合材料簡單介紹

梯度復合材料簡單介紹第一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

有志者，事竟成，破釜沉舟，百二秦關終屬楚；苦心人，天不負，臥薪嘗膽，三千越甲可吞吳。說的是越王勾踐，他有一把劍第二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

人造梯度功能材料并不是新事物。越王勾踐劍深埋地下2400多年，1965年出土時依舊寒光逼人，鋒利無比。1977年12月，復旦大學與中科院等對劍進行了無損檢測。發(fā)現(xiàn)其主要成分是銅、錫及少量的鋁、鐵、鎳、硫。劍的各個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，使劍非常鋒利；花紋處含硫高，硫化銅可防銹蝕,形成了良好的成分梯度。第三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六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，人類和動物身體中的骨骼也是一種梯度材料，其特點是結構中的最強單元承受最高的應力。生物的梯度結構與人造梯度結構之間存在很大差異。有生命的FGM是“有智能的”，它們能感受所處環(huán)境的變化(包括局部應力集中)，產生相應的結構修改，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

竹子竹節(jié)中纖維素含量變化第四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

一、產生背景二、概念三、設計過程四、制備工藝五、發(fā)展方向六、應用第五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

——產生背景

人類很早就認識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，并且其中一些的應用已有數(shù)千年的歷史。２０世紀８０年代以來，隨著航空航天工業(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合材料，由于兩者的熱膨脹系數(shù)的差異，在高溫使用時也會產生巨大的熱應力，導致在材料表層出現(xiàn)剝落或龜裂，使材料失效。第六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

——產生背景

隨著應航天航空的需要，，兩日本人（新野正之、平井敏雄）于1986年首先提出的，其實我們祖先早在2400多年前就已生產了。下圖為ＦＧＭ的示意圖。ＦＧＭ的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在可以連接２種不相容的材料，提高粘結強度，減小不同材料之間的殘余應力和裂紋驅動力，消除不同材料界面的交叉點。第七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

——概念

梯度功能材料(FGM)是兩種或多種材料復合成組分和結構呈連續(xù)梯度變化的一種新型復合材料；它要求功能、性能隨內部位置的變化而變化，實現(xiàn)功能梯度的材料。

★FGM，又稱傾斜功能復合材料。第八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

——概念材料顯著特征：⑴組分結構及物性參數(shù)都呈連續(xù)變化;⑵同一件材料的兩側具有不同性質或功能，且能完美結合;⑶在苛刻的使用條件下性能匹配而不發(fā)生破壞。第九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

——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

①組合方式上分第十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

——概念

②、組成變化上分：

（1）梯度功能整體型(從一側到另一側組成梯度變化)（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)③、功能上分：

（1）熱防護梯度功能材料（2）折射率梯度功能材料第十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

——概念

注意：梯度材料與合金材料、復合材料的區(qū)別材料混雜材料復合材料梯度材料設計思想分子、原子級水平合金化組分優(yōu)點的復合特殊功能為目標組織結構0.1nm-0.1m0.1m-1m10nm-10mm結合方式化學鍵、物理鍵分子間力分子間力/物理鍵/化學鍵微觀組織均質/非均質非均質均質/非均質宏觀組織均質均質非均質功能一致一致梯度化第十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六粉末冶金法將金屬、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到模具中加壓燒結；也可將不同組分粉末壓成薄膜/片后進行疊層燒結?？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，梯度層間接合緊密。調節(jié)粉末粒度分布和燒結工藝，可得良好熱應力緩和的梯度功能材料。通過粉末混合燒結形成的FGM結構示意圖第十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六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第十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六1.直接填充法

混合粉體經造粒、調整流動性后直接按所需成分在壓模內逐層充填，并壓制成型。此法雖工藝簡便，但其成分分布只能是階梯式的。功能梯度材料

——制備工藝

第十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六2.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熱的基板上，通過計算機控制粉末漿的流速及X-Y平臺的移動方式，即可得到成分連續(xù)變化的沉積層。噴射沉積層經干燥后冷壓成型，在熱壓燒結即得到FGM。該工藝的最大特點是：可連續(xù)改變粉末積層的組成，控制精度高，是很有發(fā)展前途的梯度基層法。第十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六3.薄膜疊層法在陶瓷和金屬粉末體原料中加入微量粘結劑與分散劑，用振動磨混合制漿并經減壓攪拌脫泡，用刮漿刀制成厚度10～200um的薄膜，將不同比例的薄膜疊層壓制，脫除黏合劑后，加壓燒結陳階梯狀FGM。要注意調節(jié)粉末粒度分布和燒結收縮的均勻性，防止燒結式出現(xiàn)裂紋和層間剝落。第十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六4.離心積層法將原料粉末體快速混合后送入高速離心機中，粉末在離心力作用下緊密沉積于離心機內壁，改變混合比可獲得連續(xù)成分梯度分布，經過注蠟處理后，離心沉積具有一定生坯強度，可經受切割、冷壓等后續(xù)成型加工，最后再燒結處理即可。該工藝沉積速度極快，目前實驗室規(guī)模下，沉積直徑15mm、高5mm、壁厚5～10mm的FGM圓環(huán)僅需5min。第十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六5.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，注入模型內部，可得到成分連續(xù)變化的試件，經干燥在熱壓燒結成FGM第十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六等離子噴涂法等離子體噴涂能同時熔化難熔相和金屬，通過控制兩種粉末的相對供給速率來預先設置混合比率。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。等離子體射流把能量傳遞給顆粒，粉末被熔融后進一步加速，高速沖撞在基材表面形成涂層。高速使顆粒撞到固體基底上時變得相當扁平，使涂層具有相對低的孔隙率。第二十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六化學氣相沉積法兩種氣相物質在反應器中均勻混合，在一定條件下發(fā)生化學反應，使生成的固相物質在基板上沉積以制備FGM的方法。CVD法可通過選擇合成溫度、調節(jié)原料氣流量和壓力等來控制FGM各組元的成分和結構，而且可鍍復雜形狀的表面；沉積面光滑致密，沉積率高，成為制備復雜結構的FGM涂層關鍵技術之一。CVD工藝原理圖第二十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六物理氣相層積法PVD法是通過物理法使源物質加熱蒸發(fā)，進而在基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的膜；PVD法得到的膜較薄，每層膜是單純某物系，常和CVD法結合使用；目前已制出TiC/Ti、TiN/Ti、CrN/Cr、TiAlN/Ti和SiC/C/TiN等多層梯度功能材料。PVD鍍膜器件第二十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六激光熔敷法把材料A放到基底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合金化的A層。重復操作，在B表面產生B含量逐漸減少的梯度。梯度變化可通過控制初始A層的數(shù)量、厚度及熔區(qū)深度來獲得。激光熔覆將材料A合金化到材料B制備FGM示意圖第二十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六自蔓延高溫合成法通過初始反應物濃度分布的空間變化，利用粉末混合物化學反應產生的熱量和反應自傳播性，使材料燃燒和合成來制備FGM的方法稱為自蔓延高溫合成法。該法的特點是利用放熱反應的能量使化學反應自動持續(xù)下去，操作簡單，反應迅速，最適合于生成熱大的化合物的合成．如AlN、TiC、TiB2等。自蔓延高溫合成自蔓延合成材料第二十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

——發(fā)展方向

（１）性能評價方面

對于常規(guī)的工程材料，在性能測定上一般認為是均勻材質，只有在特殊要求下才考慮材料的各向異性；對于ＦＧＭ，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際意義，而國內外也沒有建立統(tǒng)一的標準，它已成為制約ＦＧＭ發(fā)展的因素之一。

第二十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

——發(fā)展方向

（１）性能評價方面

目前ＦＧＭ的性能大多建立在與普通材料（如機體材料）對比的基礎上，因此選擇適合ＦＧＭ的檢測手段和建立統(tǒng)一的評價體系顯得尤為重要。性能評價主要包括：①熱性能評價，包括熱應力緩和特性評價、熱疲勞特性評價、隔熱性能評價、熱沖擊性能評價。②其它性能評價，如ＦＧＭ的耐磨、耐腐蝕、電磁、耐輻射等性能的評價方法也值得研究和探索。第二十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

——發(fā)展方向（２）制備工藝方面

常規(guī)的制備方法一般只能制造尺寸小、形狀簡單的ＦＧＭ。開發(fā)和應用新的制備技術，如仿生法、微波合成與燒結法、分子自組裝法、無壓浸滲法、超分子復合法、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。第二十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六功能梯度材料

——發(fā)展方向（３）計算機模擬方面

根據材料實際的服役環(huán)境，使用計算機尋找合適的梯度材料體系并根據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；同時使用數(shù)值模擬軟件對已經存在的梯度材料體系進行優(yōu)化，包括影響材料整體性能的成分分布、應力分布等。第二十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六梯度功能材料的應用第二十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六航天工業(yè)航天飛機在往返大氣層的過程中，機頭前端和機翼前沿服役溫度約2000K，冷表面的溫度低于1000K。把直徑為1~1.5m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“磚塊”，粘貼到航天飛機蒙皮上。這種復合材料防熱系統(tǒng)的重復使用性、可靠性等存在很大問題。發(fā)現(xiàn)號航天飛機的陶瓷熱防護盔甲第三十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六2003年2月1日，“哥倫比亞”號航天飛機爆炸，原因就是這架航天飛機左翼在起飛時遭到從燃料箱上脫落的泡沫絕緣材料撞擊，造成機體表面隔熱保護層出現(xiàn)了大面積松動和破損，形成可讓“熱氣進入的空洞”，返航途中因超高溫空氣入侵而徹底解體。起飛時燃料箱上的脫落物擊中機翼飛機的左翼上有兩條清晰的裂紋

第三十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六在兩種表面按照基體/陶瓷比率設計具有梯度的金屬基或碳基復合結構可解決上述問題。設計梯度熱防護功能材料第三十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六船舶工業(yè)在艦船甲板上可采用含熱障的、抗摩擦或抗沖擊的梯度功能材料涂層，或設計連續(xù)增強纖維排列的逐級梯度，顯著提高它們的缺口阻力，抑制微觀裂紋擴張，大幅改善甲板的抗高應變速率變形和沖擊性能，對艦船的防護及搭載飛行器具有重要意義。航空母艦甲板第三十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六汽車工業(yè)為對柴油機或汽油機活塞頭進行熱保護，需在鋼基底上噴涂厚度大于2mm的ZrO2涂層。如果直接在金屬上覆蓋陶瓷，在構件投入使用前就會導致界面脫層。通過覆蓋一些陶瓷含量不斷增加的金屬-陶瓷復合梯度涂層，可保證涂層力學完整性，保護活塞。柴油機活塞頭汽油機活塞頭第三十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期六能源工業(yè)核反