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1、梯度功能复合材料 Functionaily Gradient Composite Materials,复合材料08-1班 第四小组,梯度功能复合材料,有志者，事竟成，破釜沉舟， 百二秦关终属楚；苦心人，天不负，卧薪尝胆， 三千越甲可吞吴。,梯度功能复合材料,人造梯度功能材料并不是新事物。越王勾践剑深埋地下2400多年，1965年出土时依旧寒光逼人，锋利无比。1977年12月，复旦大学与中科院等对剑进行了无损检测。发现其主要成分是铜、锡及少量的铝、铁、镍、硫。剑的各个部位铜和锡的比例不一。剑脊含铜较多，韧性好，不易折断；刃部含锡高，硬度大，使剑非常锋利；花纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀,形成了良好的
2、成分梯度。,梯度功能材料早就出现在自然界中。 竹子是一种典型的梯度功能材料，人类和动物身体中的骨骼也是一种梯度材料，其特点是结构中的最强单元承受最高的应力。 生物的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大差异。有生命的FGM是“有智能的”，它们能感受所处环境的变化(包括局部应力集中)，产生相应的结构修改，而人造梯度材料至少在目前还缺乏这种功能。,梯度功能复合材料,竹子,竹节中纤维素含量变化,梯度功能复合材料,一、产生背景 二、概念 三、设计过程 四、制备工艺 五、发展方向 六、应用,梯度功能复合材料 产生背景,人类很早就认识到非均匀材料广泛存在于自然界中，如岩石、竹子、牙齿、骨骼等生命或非生命物体，
3、并且其中一些的应用已有数千年的历史。世纪年代以来，随着航空航天工业的发展，材料的隔热成了最大的问题，特殊的服役环境致使一般的匀质材料面临着高温和大的温度梯度的挑战，即使足采用陶瓷或金属复合材料，由于两者的热膨胀系数的差异，在高温使用时也会产生巨大的热应力，导致在材料表层出现剥落或龟裂，使材料失效。,梯度功能复合材料 产生背景,针对这种情况，日本科学家于年首先提出了的概念。下图为的示意图。的主要优势体现在可以连接种不相容的材料，提高粘结强度，减小不同材料之间的残余应力和裂纹驱动力，消除不同材料界面的交叉点。,梯度功能复合材料 概念,梯度功能材料(FGM)是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度
4、变化的一种新型复合材料；它要求功能、性能随内部位置的变化而变化，实现功能梯度的材料。 FGM，又称倾斜功能复合材料。,梯度功能复合材料 概念, 材料显著特征： 组分结构及物性参数都呈连续变化; 同一件材料的两侧具有不同性质或功能，且能完美结合; 在苛刻的使用条件下性能匹配而不发生破坏。,梯度功能复合材料 概念,梯度功能材料,组合方式上分,梯度功能复合材料 概念,、组成变化上分：（1）梯度功能整体型(从一侧到另一侧组成梯度变化)（2）梯度功能涂履型(涂层的组成梯度变化)（3）梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化)、功能上分：（1）热防护梯度功能材料（2）折射率梯度功能材料,梯度功能复合材料 概
5、念,注意： 梯度材料与合金材料、复合材料的区别,梯度功能复合材料 设计过程,一般采用逆设计系统，其设计过程如下： a. 通过计算机辅助设计系统，根据指定的材料结构形状和受热环境，得出热力学边界条件；选择有可能合成的材料组配和恰当的制造方法； 根据材料的物理参数及控制梯度变化的适宜条件，进行温度分布解析和热应力解析，探索比应力达最小值的组成分布形状或材料组配。 b.把获得的结果作为进行梯度功能材料的制备依据。一般先制备出较小的试件；然后进行扩大性试验。 c.将其用于实际环境中进行试验。,粉末冶金法,将金属、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到模具中加压烧结；也可将不同组分粉末压成薄膜/片后进行叠层
6、烧结。 控制各组分混合比，使压后的粉坯梯度层间任一组分浓度变化较小，梯度层间接合紧密。 调节粉末粒度分布和烧结工艺，可得良好热应力缓和的梯度功能材料。,通过粉末混合烧结形成的FGM结构示意图,粉末冶金法按其成型工艺可分为,直接填充法,喷射积层法,薄膜叠层法,离心积层法,粉浆浇注法,1.直接填充法混合粉体经造粒、调整流动性后直接按所需成分在压模内逐层充填，并压制成型。,此法虽工艺简便，但其成分分布只能是阶梯式的。,梯度功能复合材料 制备工艺,2.喷射积层法,原料粉体各自加入分散剂搅拌成悬浮液，混合均匀后，一边搅拌混合，一边用压缩空气喷射到预热的基板上，通过计算机控制粉末浆的流速及X-Y平台的移动
7、方式，即可得到成分连续变化的沉积层。喷射沉积层经干燥后冷压成型，在热压烧结即得到FGM。,该工艺的最大特点是：可连续改变粉末积层的组成，控制精度高，是很有发展前途的梯度基层法。,3.薄膜叠层法,在陶瓷和金属粉末体原料中加入微量粘结剂与分散剂，用振动磨混合制浆并经减压搅拌脱泡，用刮浆刀制成厚度10200um的薄膜，将不同比例的薄膜叠层压制，脱除黏合剂后，加压烧结陈阶梯状FGM。要注意调节粉末粒度分布和烧结收缩的均匀性，防止烧结式出现裂纹和层间剥落。,4.离心积层法,将原料粉末体快速混合后送入高速离心机中，粉末在离心力作用下紧密沉积于离心机内壁，改变混合比可获得连续成分梯度分布，经过注蜡处理后，离
8、心沉积具有一定生坯强度，可经受切割、冷压等后续成型加工，最后再烧结处理即可。该工艺沉积速度极快，目前实验室规模下，沉积直径15mm、高5mm、壁厚510mm的FGM圆环仅需5min。,5.粉浆浇注法,将原料粉均匀混合成浆料，通过连续控制粉浆配比，注入模型内部，可得到成分连续变化的试件，经干燥在热压烧结成FGM,等离子喷涂法,等离子体喷涂能同时熔化难熔相和金属，通过控制两种粉末的相对供给速率来预先设置混合比率。 使用粉末作为喷涂材料，以氦气、氩气等气体为载体，吹入高温等离子体射流。等离子体射流把能量传递给颗粒，粉末被熔融后进一步加速，高速冲撞在基材表面形成涂层。高速使颗粒撞到固体基底上时变得相当
9、扁平，使涂层具有相对低的孔隙率。,化学气相沉积法,两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定条件下发生化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积以制备FGM的方法。 CVD法可通过选择合成温度、调节原料气流量和压力等来控制FGM各组元的成分和结构，而且可镀复杂形状的表面；沉积面光滑致密，沉积率高，成为制备复杂结构的FGM涂层关键技术之一。,CVD工艺原理图,物理气相层积法,PVD法是通过物理法使源物质加热蒸发，进而在基板上沉积成膜的一种制备材料的方法。 PVD法可制备多层不同物质的膜； PVD法得到的膜较薄，每层膜是单纯某物系，常和CVD法结合使用； 目前已制出TiC/Ti、TiN/Ti、CrN/Cr
10、 、TiAlN/Ti和SiC/C/TiN等多层梯度功能材料。,PVD镀膜器件,激光熔敷法,把材料A放到基底B表面上，用激光将其与B基体中表面薄层一起熔化，在B表面形成B合金化的A层。 重复操作，在B表面产生B含量逐渐减少的梯度。 梯度变化可通过控制初始A层的数量、厚度及熔区深度来获得。,激光熔覆将材料A合金化到材料B制备FGM示意图,自蔓延高温合成法,通过初始反应物浓度分布的空间变化，利用粉末混合物化学反应产生的热量和反应自传播性，使材料燃烧和合成来制备FGM的方法称为自蔓延高温合成法。 该法的特点是利用放热反应的能量使化学反应自动持续下去，操作简单，反应迅速，最适合于生成热大的化合物的合成如
11、AlN、TiC、TiB2等。,自蔓延高温合成,自蔓延合成材料,梯度功能复合材料 发展方向,（）性能评价方面对于常规的工程材料，在性能测定上一般认为是均匀材质，只有在特殊要求下才考虑材料的各向异性；对于，它的组成和性能是呈梯度变化的，用常规的测试方法失去了实际意义，而国内外也没有建立统一的标准，它已成为制约发展的因素之一。,梯度功能复合材料 发展方向,（）性能评价方面目前的性能大多建立在与普通材料（如机体材料）对比的基础上，因此选择适合的检测手段和建立统一的评价体系显得尤为重要。性能评价主要包括：热性能评价，包括热应力缓和特性评价、热疲劳特性评价、隔热性能评价、热冲击性能评价。其它性能评价，如的
12、耐磨、耐腐蚀、电磁、耐辐射等性能的评价方法也值得研究和探索。,梯度功能复合材料 发展方向,（）制备工艺方面常规的制备方法一般只能制造尺寸小、形状简单的。开发和应用新的制备技术，如仿生法、微波合成与烧结法、分子自组装法、无压浸渗法、超分子复合法、快速成型法、形变与马氏体相变法等，深入研究电、磁、光、高能射线等对工艺的影响，为梯度材料的制备提供更广阔的途径。,梯度功能复合材料 发展方向,（）计算机模拟方面根据材料实际的服役环境，使用计算机寻找合适的梯度材料体系并根据制备工艺选择合适的成分梯度，为新材料的研制提供理论依据；同时使用数值模拟软件对已经存在的梯度材料体系进行优化，包括影响材料整体性能的成
13、分分布、应力分布等。,梯度功能材料的应用,航天工业,航天飞机在往返大气层的过程中，机头前端和机翼前沿服役温度约2000K，冷表面的温度低于1000K。 把直径为11.5m的高纯石英纤维加压成型，1290烧成后再按要求切成外形不同、大小不等的“砖块”，粘贴到航天飞机蒙皮上。这种复合材料防热系统的重复使用性、可靠性等存在很大问题。,发现号航天飞机的陶瓷热防护盔甲,2003年2月1日，“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因就是这架航天飞机左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击，造成机体表面隔热保护层出现了大面积松动和破损，形成可让“热气进入的空洞”，返航途中因超高温空气入侵而彻底解体。,起飞时燃
14、料箱上的脱落物击中机翼,飞机的左翼上有两条清晰的裂纹,在两种表面按照基体/陶瓷比率设计具有梯度的金属基或碳基复合结构可解决上述问题。,设计梯度热防护功能材料,船舶工业,在舰船甲板上可采用含热障的、抗摩擦或抗冲击的梯度功能材料涂层，或设计连续增强纤维排列的逐级梯度，显著提高它们的缺口阻力，抑制微观裂纹扩张，大幅改善甲板的抗高应变速率变形和冲击性能，对舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义。,航空母舰甲板,汽车工业,为对柴油机或汽油机活塞头进行热保护，需在钢基底上喷涂厚度大于2mm的ZrO2涂层。如果直接在金属上覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。 通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属-陶瓷复合
15、梯度涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。,柴油机活塞头,汽油机活塞头,能源工业,核反应堆内壁温度高达数千K，其内壁材料采用单纯双层结构，热传导不好，孔洞较多，热应力下有剥离倾向。 采用金属/陶瓷结合的梯度材料，能消除热传递及热膨胀引起的应力，解决界面问题，可替代目前不锈钢/陶瓷复合材料。,核反应堆,光学器件工业,梯度功能材料推动一个新的光学分支-梯度折射率光学的形成，在光学器件中有大量应用。 梯度折射率透镜体积小、焦距短、消像差性好，组成的光学系统可大大减少非球面组件数，简化光学器件结构。 梯度折射率光纤可以自聚焦，提高耦合效率。,梯度折射透镜,棒透镜,生物医学工业,羟基磷灰石(HA)陶瓷和钛或Ti-6Al-4V合金组成的梯废功能材料可作为仿生人工关节和牙齿。 HA是生物相容性优良的生物活性陶瓷，钛及其合金生物相容性也很好，强度高， 人造牙的齿根外表采用耐磨性优良的HA陶瓷，内部采用可承受较大变形的钛或Ti-6Al-4V合金。,梯度功能材料制成的人造牙,梯度功能材料是一种设计思想新颖、性能优良的新材料，将FGM结构和FGM化技术与智能材料系统有机地结合起来，将会给材料科学带来一场新的革命。 梯度功能材料被认为是21世纪材料科学的一个重要发展方向。,
