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1、1论梯度功能材料的发展前景与方向摘要:本文介绍了梯度功能材料(functionally graded materials 简写为FGM)的基本概念、分类、性质和制备方法的基本原理, 综述了国内外 FGM的研究和应用现状, 提出了 FGM在应用方面尚需解决的一些问题，并展望了梯度功能材料的发展前景与方向。关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展 Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon
2、analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.Key words :FGM；composite；the Advance0 引言信息、能源、材料是现代科学技术和社会发
3、展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是 21世纪高科技领域的基石。近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展1。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而 FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化” ， “轻质化” ， “高性能化”和“多功能化”具有举足轻
4、重的作用2，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。1 FGM概念的提出当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过 25个马赫数，其表面温度高达 2000。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过 2000，燃烧室的热流量大于 5MW/m2, 其空气入口的前端热通量达 5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达 1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力1。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大
5、,很容易在相界处出现涂层剥落3或龟裂1现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于 1987年首次提出了梯度功能材料的概念1，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小3。随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料4。22 FGM的特性和分类2.1 FGM的特殊性能由于 FGM的
6、材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图 2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足5。正如 Erdogan在其论文6中指出的与传统复合材料相比 FGM有如下优势:1)将 FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;2)将 FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;3)将 FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;4)用 FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。2.2 FGM的分类根据不同的分类标准 FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM 分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合
7、方式的材料1；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料） ，梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层） ，梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）1；根据不同的梯度性质变化分为密度 FGM，成分 FGM，光学 FGM，精细 FGM等4；根据不同的应用领域有可分为耐热 FGM，生物、化学工程 FGM，电子工程 FGM等7。3 FGM的应用FGM最初是从航天领域发展起来的。随着 FGM 研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的 FGM,并可望应用于许多领域。功能 应用领域 材料组合 缓和热应力功
8、能及结合功能航天飞机的超耐热材料陶瓷引擎耐磨耗损性机械部件耐热性机械部件耐蚀性机械部件加工工具运动用具:建材 陶瓷金属陶瓷金属塑料金属异种金属异种陶瓷金刚石金属碳纤维金属塑料 核功能原子炉构造材料核融合炉内壁材料3放射性遮避材料 轻元素高强度材料耐热材料遮避材料耐热材料遮避材料生物相溶性及医学功能人工牙齿牙根人工骨人工关节人工内脏器官:人工血管补助感觉器官生命科学 磷灰石氧化铝磷灰石金属磷灰石塑料异种塑料硅芯片塑料电磁功能电磁功能 陶瓷过滤器超声波振动子IC磁盘磁头电磁铁长寿命加热器超导材料电磁屏避材料高密度封装基板 压电陶瓷塑料压电陶瓷塑料硅化合物半导体多层磁性薄膜金属铁磁体金属铁磁体金属陶
9、瓷金属超导陶瓷塑料导电性材料陶瓷陶瓷光学功能 防反射膜光纤;透镜;波选择器多色发光元件玻璃激光 透明材料玻璃折射率不同的材料4不同的化合物半导体稀土类元素玻璃能源转化功能MHD 发电电极;池内壁热电变换发电燃料电池地热发电太阳电池 陶瓷高熔点金属金属陶瓷金属硅化物陶瓷固体电解质金属陶瓷电池硅、锗及其化合物 4 FGM的研究FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。4. 1FGM设计FGM设计是一个逆向设计过程7。 首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从 FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假
10、定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出 FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。FGM设计主要构成要素有三: 1)确定结构形状,热力学边界条件和成分分布函数; 2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型; 3)采用适当的数学力学计算方法,包括有限元方法计算 FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。4. 2FGM 的制备FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现 FGM组成成份、微
11、观结构能够按设计分布,从而实现 FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM) ,自蔓延高温合成法(SHS) ;涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD) 和化学相沉积(CVD) ;形变与马氏体相变10、14。4. 2. 1粉末冶金法(PM) PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的 FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的 FGM部件,但工艺比较复杂,制备的 FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制7。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧
12、结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM 法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严5格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的 FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 8、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni 等7 。4. 2. 2 自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 简称 SHS或 Combustion Synthesis)SHS 法是前苏联科学家 Merzhanov 等在 1967 年研究 Ti和 B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的
13、新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去, 利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图 6所示16：SHS 法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的 FGM。但 SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用 SHS 法己制备出 Al/ TiB2 , Cu/ TiB2 、Ni/ TiC8 、Nb-N、Ti-Al 等系功能梯度材料7、11。 4. 2. 3 喷涂法 喷涂法
14、主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和 NiCrAlY合金9。4. 2. 3. 1 等离子喷涂法(PS)PS 法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达 1 500 K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形
15、成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达 1. 5 km/ s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层8、11。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材10,但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出 TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al7 、
16、NiCrAl/MgO -ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO210系功能梯度材料4.2.3.2激光熔覆法激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末 A放置在基底 B上,然后以高功率的激光入射至 A并使之熔化,便会产生用 B合金化的 A薄涂层,并焊接到 B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用 Ti-A1合金熔覆 Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层 A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金
