梯度功能材料

梯度功能材料目錄梯度功能材料簡介

分類及與復合材料的區(qū)別

應用領域

未來的發(fā)展趨勢

引言

梯度功能材料是上世紀八十年代中期開發(fā)可往返于太空與陸地的航天飛機外部用耐熱材料而提出的一個嶄新的材料概念。構件中材料成分和性能的突然變化常常會導致明顯的局部應力集中。如果一種材料過渡到另一種材料是逐步進行的，這些應力集中就會大大地降低,這就誕生了梯度功材料。2003年2月美國哥倫比亞號航天飛機失事圖片航天飛機飛行時預想的表面溫度定義

發(fā)展簡介梯度功能材料其實不是新事物。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。劍的主要成分是銅、錫及少量鋁、鐵、鎳、硫。劍的各部位銅和錫的比例不一，形成良好的成分梯度。劍脊含銅較多，韌性好，不易折斷；劍刃含錫高，硬度大，非常鋒利；護手花紋處含硫高，硫化銅可防銹蝕。發(fā)展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FGMs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(chǎn)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。竹子竹節(jié)中纖維素含量變化

在過去的幾十年里，材料科學的研究和發(fā)展主要集中在均質材料，如金屬、合金、陶瓷聚合物等。它們的性能在宏觀上均勻分布，不隨空間變化。但隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，均勻材料開始面臨許多挑戰(zhàn)。發(fā)展人們發(fā)現(xiàn)，無論是使用傳統(tǒng)的金屬材料，還是使用傳統(tǒng)的陶瓷一金屬(或合金)復合材料，雖然可以耐高溫沖擊，但由于陶瓷和金屬間存在明顯的界面，界面兩側材料(陶瓷和金屬)的熱膨脹系數(shù)不同，高低溫沖擊時在界面處會產(chǎn)生很大的熱應力，使材料裂縫、剝落、失效。因為高的熱應力循環(huán)問題，一般材料難以滿足這種苛刻的使用環(huán)境，所以設想兩側分別用陶瓷和金屬，在中間加入梯度過渡層，以減少和克服結合部位的性能不匹配因素。發(fā)展1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡邊龍三人提出使金屬/陶瓷復合材料的組分、結構和性能呈連續(xù)變化的熱防護梯度功能材料的概念。1990年，日本召開第一屆梯度功能材料國際研討會。發(fā)展1993年，美國國家標準技術研究所開始以開發(fā)超高溫耐氧化保護涂層為目標的大型梯度功能材料研究。1995年德國發(fā)起一項六年國家協(xié)調(diào)計劃，主要研究功能梯度材料的制備最近，通過改變復合兩相的配制，在復合材料內(nèi)部形成精細的構造梯度(將預先存在的不同相進行人為組合)。迄今為止，梯度功能材料已發(fā)展為當前結構材料和功能材料研究領域中的重要主題之一。梯度功能材料（functionallygradedmaterials），簡稱（FGM）。廣義的梯度功能材料的定義是:根據(jù)具體材料要求，選擇兩種或多種具有不同性能的材料，通過連續(xù)地改變這兩種或多種材料的組成和結構使界面消失，從而得到物性和功能相應于組成和結構的變化而緩慢變化的非均質材料，又稱為功能梯度材料，漸變功能材料等。定義梯度功能材料與均一材料、復合材料不同。它是一種集兩種或多種性能不同的組分(如金屬、陶瓷、纖維、聚合物等)于一體的新型材料，通過連續(xù)地改變這兩種（或多種）材料的組成和結構，使其界面消失導致其微觀結構和物理、化學、生物等單一或綜合性能都呈連續(xù)變化，以適應不同環(huán)境，實現(xiàn)某一特殊功能。梯度功能材料制備的耐磨軸承，外表為陶瓷，內(nèi)表面為金屬梯度功能材料主要通過連續(xù)控制材料的微觀要素(包括組成、結構)，使界面的成分和組織呈連續(xù)性變化，主要特征有：材料的組分和結構呈連續(xù)性梯度變化；材料內(nèi)部沒有明顯的界面；材料的性質也呈連續(xù)性梯度變化。ZrO2-CrNi合金FGM橫截面，白色的陶瓷粉末與黑色的合金粉末含量呈連續(xù)性梯度變化，沒有明顯的界面，分類（1）根據(jù)材料的組合方式分為：金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料（2）根據(jù)不同的梯度性質變化分為：密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等

（3）根據(jù)其組成變化分為：梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）；（4）根據(jù)不同的應用領域可分為：耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等。梯度功能材料由幾種性質不同的材料組成，但與復合材料之間有明顯區(qū)別。材料復合材料梯度材料設計思想材料優(yōu)點的相互復合特殊功能為目標結合方式化學鍵/物理鍵分子間力/化學鍵/物理鍵微觀組織界面處非均質均質/非均質宏觀組織均質非均質（連續(xù)變化）功能一致

梯度化梯度功能材料與復合材料比較梯度功能材料能有效地克服傳統(tǒng)復合材料的不足。與傳統(tǒng)復合材料相FGM有如下優(yōu)勢：

1）將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料，可以大大地提高粘結強度；2）將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力；3）將FGM用作涂層和界面層可消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性；4）用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層，既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。金屬和陶瓷構成的材料特性(a)無梯度；(b)有梯度金屬-陶瓷構成的熱應力緩和梯度功能材料，對高溫側壁采用耐熱性好的陶瓷材料，低溫側壁使用導熱和強度好的金屬材料。材料從陶瓷過渡到金屬的過程中，耐熱性逐漸降低，機械強度逐漸升高。熱應力在材料兩端均很小，在材料中部過渡區(qū)達到峰值(比突變界面的應力峰值小得多)，具有緩和熱應力的功能。梯度功能材料的應用FGM在核能、電子、光學、化學、電磁學、生物醫(yī)學乃至日常生活領域也都有著巨大的潛在應用前景。

FGMs的最直接應用就是航天飛行器材料，這是一種熱障型梯度材料，應用于高溫環(huán)境，特別適用于材料兩側溫差較大的環(huán)境,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。

發(fā)現(xiàn)號航天飛機的陶瓷熱防護瓦航天工業(yè)把直徑為1-1.5

m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、可靠性等存在較大問題。日本開發(fā)了為小動力火箭燃燒器和熱遮蔽材料用的梯度功能材料，目前已研制出能耐1700℃的ZrO2/Ni梯度功能材料，用作馬赫數(shù)大于20的并可重復使用的航天飛機機身材料。梯度功能材料也可用于普通飛機的噴氣燃燒器?？仗祜w機火箭燃燒室梯度功能材料推動一個新的光學分支-梯度折射率光學的形成，在光學器件中有大量應用。梯度折射率透鏡體積小、焦距短、消像差性好，組成的光學系統(tǒng)可大大減少非球面組件數(shù)，簡化光學器件結構。梯度折射率光纖可以自聚焦，提高耦合效率。梯度折射透鏡棒透鏡光學器件工業(yè)光學器件系統(tǒng)設計或應用的例子成像系統(tǒng)準直透鏡、施密特校正鏡、攝影透鏡、顯微鏡、望遠鏡復印機系統(tǒng)棒透鏡系列內(nèi)窺鏡系統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡光通信系統(tǒng)自聚焦光纖、連接器、分路器、光開關、光衰減器、光波導器件、激光二極管光盤系統(tǒng)拾音透鏡、拾像透鏡光計算機系統(tǒng)微型光學元件梯度折射率材料的應用在艦船甲板上可采用含抗熱障、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，顯著提高其缺口阻力，抑制微觀裂紋擴張，大幅改善甲板的抗高速應變和沖擊的能力，對艦船的防護及搭載飛行器具有重要意義船舶工業(yè)核反應堆內(nèi)壁溫度高達數(shù)千K，其內(nèi)壁材料采用單純雙層結構，熱傳導不好，孔洞較多，熱應力下有剝離傾向。采用金屬/陶瓷結合的梯度材料，能消除熱傳遞及熱膨脹引起的應力，解決界面問題，可替代目前不銹鋼/陶瓷復合材料。核反應堆能源工業(yè)羥基磷灰石(HA)陶瓷和鈦或Ti-6Al-4V合金組成的梯度功能材料可作為仿生人工關節(jié)和牙齒。HA是生物相容性優(yōu)良的生物活性陶瓷，鈦及其合金生物相容性也很好，強度高，人造牙的齒根外表采用耐磨性優(yōu)良的HA陶瓷，內(nèi)部采用可承受較大變形的鈦或Ti-6Al-4V合金。梯度功能材料制成的人造牙生物醫(yī)學HA含量從外表面到內(nèi)表面逐漸減少，形成HA-玻璃-鈦功能梯度復合材料。燒結后特別適于植入人體，在保證良好的生物相容性的同時提供一定的支撐強度，還可以顯著提高牙齒的缺口阻力，抑制微觀裂紋損傷。HA-玻璃-鈦功能梯度復合材料截面示意圖PZT壓電陶瓷廣泛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)定性和失真振蕩方面存在一定問題。通過調(diào)整材料組成，使其梯度化，就能使壓電系數(shù)和溫度系數(shù)等得到最恰當?shù)姆峙?，提高壓電器件的性能和壽命。壓電陶瓷器件電子材料未來發(fā)展趨勢梯度功能材料是一種設計思想新穎、性能優(yōu)良的新材料,將FGM結構和FGM化技術與智能材料系統(tǒng)有機地結合起來，將會給材料科學帶來一場新的革命,被認為是21世紀材料科學的一個重要發(fā)展方向。發(fā)展展望存在的問題(1）梯度材料設計的數(shù)據(jù)庫（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；(2）尚需要進一步研究和探索統(tǒng)一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；(3)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單，成本高,還不具有較多的實用價值；(4）尚需完善連續(xù)介質理論