第十二章-功能梯度材料課件

第十二章

功能梯度材料

主講－朱和國(guó)南京理工大學(xué)材料系第十二章

功能梯度材料

主講－朱和國(guó)1本章的學(xué)的主要內(nèi)容及學(xué)習(xí)要求一、主要內(nèi)容：1.功能梯度材料概述2.功能梯度材料制備3.功能梯度材料應(yīng)用二、要求：1.了解功能梯度材料的產(chǎn)生背景及其定義；2.了解功能梯度材料的特點(diǎn)及其分類；3.了解功能梯度材料的常用制備工藝；4.功能梯度材料的應(yīng)用重點(diǎn)和難點(diǎn)：三、難點(diǎn)：功能梯度材料的制備原理本章的學(xué)的主要內(nèi)容及學(xué)習(xí)要求一、主要內(nèi)容：2航天飛機(jī)背景：航天方面航天飛機(jī)背景：航天方面3神州號(hào)楊利為神州號(hào)楊利為4聶海勝、費(fèi)俊龍聶海勝、費(fèi)俊龍5每秒3.2公里，10倍音速背景：航空方面每秒3.2公里，10倍音速背景：航空方面6不銹鋼－陶瓷(Si3N4)界面上應(yīng)力分布(單位：1/100MPa)（a）無(wú)梯度；（b）有梯度

W:T=3680K,19.3;MO:T=2890K,10.2氧化物陶瓷熔點(diǎn)均在2000K以上，密度：Al2O3=4.0；TiB2=4.5；SiC＝3.12等虛線－壓應(yīng)力區(qū)；0－無(wú)應(yīng)力區(qū)比較發(fā)現(xiàn)：1.成分突變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中（解決不好，哥倫比亞號(hào)墜毀，見圖）2.成分逐步過(guò)渡，應(yīng)力集中大大降低3.無(wú)梯度樣品冷卻時(shí)開裂，有梯度樣品有近400MPa結(jié)合強(qiáng)度4.有梯度時(shí)集中區(qū)拉應(yīng)力僅為無(wú)梯度時(shí)的1/3～1/4設(shè)計(jì)不銹鋼－陶瓷(Si3N4)界面上應(yīng)力分布W:T=3680K,7成分設(shè)計(jì)：表層：陶瓷類結(jié)構(gòu)材料，耐熱、抗氧化內(nèi)層：金屬材料，高熱導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度；中間通過(guò)成分、結(jié)構(gòu)、性能上的梯度變化，釋放其熱應(yīng)力。成分設(shè)計(jì)：8第十二章--功能梯度材料ppt課件9

航天飛機(jī)的外部燃料箱體形巨大，長(zhǎng)度約為154英尺，直徑大約27.6英尺。哥倫比亞號(hào)的外部燃料箱凈重66,000磅，裝滿液氫和液氧之后，總重量可達(dá)170萬(wàn)磅。液氧的溫度約為-297華氏度液氫的溫度約為-423華氏度絕熱瓦

航天飛機(jī)的外部燃料箱體形巨大，長(zhǎng)度約為154英尺，直徑1012.1功能梯度材料概述1

梯度功能材料概念的提出

是應(yīng)航天航空的需要，能在極限環(huán)境下正常工作而發(fā)展起來(lái)的一種新型功能材料。由兩日本人（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。2梯度功能材料(functionallygradientmaterials，縮寫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；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。

12.1功能梯度材料概述1梯度功能材料概念的提出11

越王勾踐劍深埋地下2400多年，1965年冬出土?xí)r依舊寒光逼人，鋒利無(wú)比。1977年12月，復(fù)旦大學(xué)與中科院等對(duì)劍進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)。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，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。其實(shí)大自然，人類自身早已存在了功能梯度材料。越王勾踐劍深埋地下2400多年，1965年冬出土?xí)r12人體長(zhǎng)骨結(jié)構(gòu)示意圖生物功能梯度材料無(wú)機(jī)：羥基磷灰石碳酸磷灰石有機(jī)：膠原纖維骨是無(wú)機(jī)與有機(jī)的復(fù)合材料人體長(zhǎng)骨結(jié)構(gòu)示意圖生物功能梯度材料無(wú)機(jī)：13注意：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注意：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143梯度功能材料的特點(diǎn)

1）組分、結(jié)構(gòu)和性能均呈連續(xù)梯度變化。2）內(nèi)部無(wú)明顯的界面。4梯度功能材料分類

1）組合方式上分： 金屬/金屬 金屬／陶瓷、 金屬／非金屬、 陶瓷／陶瓷、 陶瓷／非金屬 非金屬／塑料 3梯度功能材料的特點(diǎn)152）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)3）功能上分：

（1）熱防護(hù)梯度功能材料（2）折射率梯度功能材料2）組成變化上分：16原料體系方法類別方法氣相化學(xué)法化學(xué)氣相沉積法物理法物理氣相沉積濺射法離子注入法液相化學(xué)法電鍍法氧化還原法物理法熔射法熔體凝固法固相法化學(xué)法自蔓延法（熱分解法）涂層法物理法燒結(jié)法部分結(jié)晶法擴(kuò)散法12.2熱防護(hù)梯度功能材料的制備方法原料體系方法類別方法化學(xué)法化學(xué)氣相沉積法物理氣相沉積濺射法離17一、化學(xué)氣相沉積技術(shù)熱應(yīng)力緩和型SiC/C梯度材料的CVD合成原料：SiCl4+CH4+H2H2-載體氣SiCl4（液態(tài)）－硅源CH4-C源發(fā)熱體－石墨基板－石墨常見熱防護(hù)梯度功能制備工藝一、化學(xué)氣相沉積技術(shù)熱應(yīng)力緩和型SiC/C常見熱防護(hù)梯度功18過(guò)程：通過(guò)兩種氣相物質(zhì)在反應(yīng)器中均勻混合，在一定的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使生成物在基板上沉積特點(diǎn)：1.調(diào)節(jié)氣的流量和壓力控制組分比2.可鍍表面形狀復(fù)雜的材料3.沉積面光滑致密4.沉積率高應(yīng)用：Ti／TiC、Ti／TiN、Cr／CrN、SiC／C／TiC等過(guò)程：通過(guò)兩種氣相物質(zhì)在反應(yīng)器中均勻混合，在一定的條件下發(fā)生19二、物理氣相沉積技術(shù)控制因素：1.蒸發(fā)速度2.蒸發(fā)物質(zhì)的組成3.基板溫度4.反應(yīng)氣體的導(dǎo)入量陰極：中空陽(yáng)極：銅坩鍋氬氣：陰陽(yáng)級(jí)放電時(shí)氬氣電離產(chǎn)生氬等離子體坩鍋中金屬：受熱、熔融、蒸發(fā)、沉積于基板二、物理氣相沉積技術(shù)控制因素：20過(guò)程：通過(guò)加熱等物理方法使源物質(zhì)(如金屬等)蒸發(fā)，使蒸氣直接沉積在基板上成膜，或與反應(yīng)氣體作用并在基版上沉積（物理－化學(xué)氣相沉積）特點(diǎn)：1.物系的選擇面寬2.產(chǎn)物純度高3.組成控制精度高4.可制多層不同物質(zhì)的膜5.膜薄，每層膜為一種物質(zhì)應(yīng)用：合成各種金屬和包括氧化物、氮化物、碳化物在內(nèi)的陶瓷以及金屬/陶瓷的復(fù)合物過(guò)程：21三.自蔓延技術(shù)TiCTi+C反應(yīng)進(jìn)行方向混合物預(yù)熱區(qū)反應(yīng)區(qū)燃燒波前沿產(chǎn)物點(diǎn)火裝置SHS反應(yīng)模型示意圖鋼管鋁熱劑Al2O3陶瓷Fe層離心復(fù)合梯度層三.自蔓延技術(shù)TiCTi+C反應(yīng)進(jìn)行方向混合物預(yù)熱區(qū)反應(yīng)區(qū)燃22過(guò)程：將金屬粉末和陶瓷粉末按梯度化充填，加壓壓實(shí)，從成形體的一端點(diǎn)火燃燒，反應(yīng)自行向另一端傳播，利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和反應(yīng)的自傳播性，使材料燒結(jié)和合成。特點(diǎn)：適合于生成熱大的化合物的合成，如AlN、TiC、TiB2等操作過(guò)程簡(jiǎn)單，反應(yīng)迅速，能耗低，純度高材料致密度低應(yīng)用：1）電磁加壓＋自蔓延：TiB2／Cu；2）自蔓延＋熱等靜壓相結(jié)合：TiC／TiC+10％Ni/TiC+20％Ni／TiC+30％Ni；3）爆炸壓實(shí)生坯＋自蔓延：A12O3／Ti密度從82％到94％過(guò)程：將金屬粉末和陶瓷粉末按梯度化充填，加壓壓實(shí)，從成形體23四、顆粒梯度排列法

是類似于粉末冶金法的一種燒結(jié)方法，可分為顆粒直接填充法和薄膜疊層法。優(yōu)點(diǎn)：可制備大體積的梯度材料缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，一定的孔隙率，尺寸受模限制。顆粒直接填充法：將金屬、陶瓷等粒子按一定的梯度分布直接填充到模具中經(jīng)過(guò)加壓、澆結(jié)而成薄膜疊層法：將金屬和陶瓷粉末摻人微量膠粘劑、分散劑等，振動(dòng)磨制成泥漿，脫氣壓膜，再將這些不同成分和結(jié)構(gòu)的薄膜疊層、燒結(jié)四、顆粒梯度排列法是類似于粉末冶金法的一種燒結(jié)方法，2412.3熱防護(hù)梯度功能材料的特征評(píng)價(jià)1）局部熱應(yīng)力評(píng)價(jià)采用激光和超聲波的方法來(lái)評(píng)價(jià)局部熱應(yīng)力的分布和大小。2）熱屏蔽性能評(píng)價(jià)通過(guò)高溫落差基礎(chǔ)試驗(yàn)和模擬實(shí)際環(huán)境下的隔熱性能和耐久性試驗(yàn)，來(lái)評(píng)價(jià)梯度功能材料的熱屏蔽性能。3）破壞強(qiáng)度評(píng)價(jià)在2000K以上的環(huán)境中，測(cè)定其破壞強(qiáng)度，以考察梯度功能材料的耐超高溫的機(jī)械強(qiáng)