新型功能材料.ppt

1、新型功能材料,一、智能功能材料 二、功能梯度材料 三、功能復(fù)合材料,一、智能材料,智能材料又可以稱為敏感材料，其英文翻譯也有若干種，常用的有Intelligent material、Intelligent material and structure、Smart material、Adaptive material and structure等。 由傳感器或敏感元件等與傳統(tǒng)材料結(jié)合而成。智能材料就是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。,智能材料的構(gòu)想來源于仿生（仿生就是模仿大自然中生物的一些獨(dú)特功能制造人類使用的工具

2、，如模仿蜻蜓制造飛機(jī)等等），它的目標(biāo)就是想研制出一種材料，使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料。,因此智能材料必須具備感知、驅(qū)動(dòng)和控制這三個(gè)基本要素。但是現(xiàn)有的材料一般比較單一，難以滿足智能材料的要求，所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個(gè)智能材料系統(tǒng)。這就使得智能材料的設(shè)計(jì)、制造、加工和性能結(jié)構(gòu)特征均涉及到了材料學(xué)的最前沿領(lǐng)域，使智能材料代表了材料科學(xué)的最活躍方面和最先進(jìn)的發(fā)展方向。,智能材料可分為兩大類：（1）嵌入式智能材料，又稱智能材料結(jié)構(gòu)或智能材料系統(tǒng) 在基體材料中，嵌入具有傳感、動(dòng)作和處理功能的三種原始材料。傳感元件采集和檢測(cè)外界環(huán)境給予的信息，控制處理器指揮和

3、激勵(lì)驅(qū)動(dòng)元件，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 （2）有些材料微觀結(jié)構(gòu)本身就具有智能功能，能夠隨著環(huán)境和時(shí)間的變化改變自己的性能，如自濾玻璃、受輻射時(shí)性能自衰減的Inp半導(dǎo)體等。,智能材料的特征 因?yàn)樵O(shè)計(jì)智能材料的兩個(gè)指導(dǎo)思想是材料的多功能復(fù)合和材料的仿生設(shè)計(jì)，所以智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的智能功能和生命特征： （1）傳感功能（Sensor） 能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。 （2）反饋功能（Feedback） 可通過傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對(duì)比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。 （3）信息識(shí)別與積累功能 能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到

4、的各類信息并將其積累起來。,（1）傳感功能（Sensor） 能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。 （2）反饋功能（Feedback） 可通過傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對(duì)比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。 （3）信息識(shí)別與積累功能 能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來。,（4）響應(yīng)功能 能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時(shí)動(dòng)態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動(dòng)。 （5）自診斷能力（Self-diagnosis） 能通過分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過去的情況，對(duì)諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷并予以校正。 （6）自修

5、復(fù)能力（Self-recovery） 能通過自繁殖、自生長(zhǎng)、原位復(fù)合等再生機(jī)制，來修補(bǔ)某些局部損傷或破壞。 （7）自調(diào)節(jié)能力（Self-adjusting） 對(duì)不斷變化的外部環(huán)境和條件，能及時(shí)地自動(dòng)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為，從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對(duì)外界變化作出恰如其分的響應(yīng)。,智能材料的構(gòu)成 一般來說智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。 （1）基體材料 基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕，尤其具有粘彈性的非線性特征。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。 （2）敏感材料

6、敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、PH值等）。常用敏感材料如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。,（3）驅(qū)動(dòng)材料 因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動(dòng)材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等?？梢钥闯觯@些材料既是驅(qū)動(dòng)材料又是敏感材料，顯然起到了身兼二職的作用，這也是智能材料設(shè)計(jì)時(shí)可采用的一種思路。,智能材料的功能 （1）具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如電、光、熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等

7、；（2）具有驅(qū)動(dòng)功能，能夠響應(yīng)外界變化 （3）能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)； （4）反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)。（5）當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。,二、功能梯度材料,功能梯度材料（Functionally Graded Materials，簡(jiǎn)稱FGM）是指構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向由一側(cè)向另一側(cè)呈連續(xù)梯度變化，從而使材料性質(zhì)和功能也呈梯度變化的一種新型材料。這種材料的概念是由日本學(xué)者平井敏雄等人于1986年首先提出的，該材料的應(yīng)用目標(biāo)主要是航天飛機(jī)的防熱系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)。與宏觀均質(zhì)復(fù)合材料相比，功能梯度材料的成分和結(jié)構(gòu)在每一處都是有控制地連續(xù)改變的。其特點(diǎn)是構(gòu)成材料的組

8、成、顯微結(jié)構(gòu)（陶瓷、金屬、顯微氣孔等）不僅是連續(xù)分布、適應(yīng)環(huán)境，而且是可以控制的。,所謂梯度功能材料（functionalgradientmaterials）是指材料的組成和結(jié)構(gòu)從材料的某一方位一維二 維或者三維）向另一方位連續(xù)地變化，使材料的性能和功能也呈現(xiàn)梯度變化的一種新型的功能性材料 。 它是指一類組成結(jié)構(gòu)和性能在材料厚度或長(zhǎng)度方向連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化的非均質(zhì)復(fù)合材料。,以航天飛機(jī)用的超耐熱材料構(gòu)件為例，在承受高溫的表面，設(shè)計(jì)和配置耐高溫陶瓷；在與冷卻氣體接觸的表面，設(shè)計(jì)采用導(dǎo)熱性和強(qiáng)韌性良好的金屬；而在兩個(gè)表面之間，采用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù)，通過控制金屬和陶瓷的相對(duì)組成及組織結(jié)構(gòu)，使其無界面

9、地、連續(xù)地變化，就得到一種呈梯度變化的材料。從陶瓷過渡到金屬的過程中，耐熱性逐漸降低，強(qiáng)度逐漸升高，在材料中部熱應(yīng)力達(dá)到最大值，從而實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)力緩和功能。,鑒于FGM具有組成和顯微結(jié)構(gòu)連續(xù)變化、適應(yīng)環(huán)境和可設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域已從航空航天拓展到核能、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械、石油化工、信息、民用及建筑等其他諸多領(lǐng)域。,FGM的研究主要包括材料設(shè)計(jì)、材料制備和材料特性評(píng)價(jià)等三個(gè)部分，三者相輔相成。,FGM的設(shè)計(jì)：首先根據(jù)材料的實(shí)際使用要求，進(jìn)行材料內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)的梯度分布設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)，以知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)選擇可供合成的材料組成和制備技術(shù)，然后選擇表示梯度變化的分布函數(shù)，并以材料基本物性數(shù)據(jù)庫(kù)為依據(jù)進(jìn)行功能（

10、溫度、熱應(yīng)力等）的解析計(jì)算，最后將最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提交材料合成部門。,FGM的合成或制備：即根據(jù)材料設(shè)計(jì)的結(jié)果，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ苽涑龇蠈?shí)際應(yīng)用目標(biāo)的FGM。制備出的FGM可以是金屬- 金屬、金屬- 陶瓷、非金屬- 非金屬、非金屬- 陶瓷等。功能梯度材料制備的關(guān)鍵是控制材料結(jié)構(gòu)，使組成和顯微結(jié)構(gòu)按照要求逐漸變化。目前FGM 的制備方法主要有氣相沉積法、粒子排列法和電沉積法。,氣相沉積法包括化學(xué)氣相沉積法（CVD）和物理氣相沉積法（PVD）。 CVD: 法通過控制反應(yīng)氣控制材料的梯度，用此法已制備出SiC-C,C-Si等FGM。 PVD法通過金屬源加熱蒸發(fā)，并控制氧、氮和碳化物反應(yīng)氣體的流量來控制材

11、料的梯度。用PVD法已制備出了Ti-TiN,Ti-TiC,Cr-CrN等FGM。,粒子排列法可分為粒子排列燒結(jié)法、等離子噴涂法和自蔓延高溫合成等類型。粒子排列燒結(jié)法是使金屬和陶瓷粉末的組成符合最佳梯度分布，壓實(shí)后燒結(jié)即可制得FGM。等離子噴涂法是通過控制噴槍的送粉量來控制材料的梯度組成。自蔓延合成是先將原料用積層法制好，然后局部點(diǎn)火，自行完成整個(gè)制備過程。,電沉積法是利用電鍍?cè)恚ㄟ^改變鍍液流速，電流密度或粒子濃度來制備FGM。,FGM的特性評(píng)價(jià)：由于其性能沿厚度方向變化及功能的多樣性，很難采用傳統(tǒng)的測(cè)試方法來評(píng)價(jià)其性能。因此需要建立準(zhǔn)確評(píng)價(jià)FGM 特性的一整套標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方法，并將有關(guān)測(cè)試結(jié)

12、果及時(shí)反饋回材料設(shè)計(jì)部門建立FGM特性數(shù)據(jù)庫(kù)。從發(fā)展趨勢(shì)來看，功能梯度材料的研究已從最初的概念設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)研究和原理性演示，逐步走向把實(shí)驗(yàn)室成果向?qū)嵱没较蜣D(zhuǎn)化和推進(jìn)。今后FGM的研究仍以材料設(shè)計(jì)、合成和評(píng)價(jià)為中心，不斷完善設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)系統(tǒng)，針對(duì)具體目標(biāo)合成大規(guī)模的實(shí)用材,Al2O3系FGM制備技術(shù)探索 1.自蔓延高溫合成法 自蔓延高溫合成法（self-prepagating high-temprature synthesis，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

13、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壓SHS 法及爆炸固結(jié)+SHS兩種方法制備了完整的Al2O3系梯度材料。結(jié)果表明，用無壓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，制品完整無裂

14、紋。,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)成正弘等開創(chuàng)附加溫度激光掃描燒結(jié)PSZMo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Al2O3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。,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TiAl2O3梯度涂層。其

15、主要工藝過程是先將一定混合比的,Ti與Al2O3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，通過控制喂料過程中TiAl2O3比例的連續(xù)變化，得到TiAl2O3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)過程中基體與涂層間收縮率差異，制備過程中在Ti 基體中加入左右的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TiAl2O3梯度涂層。該工藝中運(yùn)用超細(xì)顆?？梢越档椭破返臒Y(jié)溫度，得到的梯度涂層結(jié)晶細(xì)小、良好，使涂層的性能大大提高，但實(shí)驗(yàn)過程比較復(fù)雜，設(shè)備

16、要求高。,4顆粒共沉降制備工藝探索 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)于給定的種粉末，通過調(diào)整沉降參數(shù)和選擇合適的粉末特性，就可以控制種粉末的沉降行為，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TiAl2O3系梯度材料既有理論基礎(chǔ)又有實(shí)踐優(yōu)勢(shì),5 氣相沉

17、積法 通過兩種氣相物質(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。,梯度功能材料研究現(xiàn)狀及展望 FGM的研究由材料設(shè)計(jì)、材料合成和材料性能評(píng)價(jià)三個(gè)部分組成。材料合成是FGM研究的核心，材料設(shè)計(jì)則是為FGM合成提供最佳的組成和結(jié)構(gòu)梯度分布，材料性能評(píng)價(jià)則是建立準(zhǔn)確評(píng)價(jià)FGM性能的一整套標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方法，依此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)FGM進(jìn)行測(cè)試并將測(cè)試結(jié)果及時(shí)反饋給材料設(shè)計(jì)部門三者緊密相關(guān)，相輔相成。,目前材料設(shè)計(jì)多數(shù)采用逆設(shè)計(jì)系統(tǒng)。首先是按照對(duì)材料性能的要求和使用條件，然后查閱材料組成和構(gòu)造的知識(shí)庫(kù)，依據(jù)設(shè)計(jì)的基本理論，對(duì)材料的組成和結(jié)構(gòu)的梯度分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)時(shí)，一些新

18、技術(shù)、新方法的應(yīng)用給FGM的研究增添了無窮的活力。例如：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)對(duì)FGM進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)已有詳細(xì)地描述。另外，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、有限元法，分形理論進(jìn)行FGM 的研究。例如據(jù)報(bào)道了采用德國(guó)SIS公司的Anqlisis圖象分析系統(tǒng)的)PRO 版本，測(cè)量了ZrONi系的梯度功能材料的水平面和垂直面的分形維數(shù)并初步建立了分形維數(shù)與宏觀性能之間的關(guān)系。,另一個(gè)理論分析方法是根據(jù)有限元法原理采用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出材料內(nèi)部溫度、熱應(yīng)力的大小和分布，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以對(duì)FGM的熱應(yīng)力緩和特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。,根據(jù)分形理論，可以用材料的微觀結(jié)構(gòu)來表征材料的宏觀性能，即是分形維數(shù)定量表征梯度功能材料表面微觀形貌及其與性能之間的關(guān)系。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，這一方法將變得更為準(zhǔn)確、簡(jiǎn)捷。采用直接