梯度功能材料发展前景分析论文

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1、梯度功能材料发展前景分析论文 摘要:本文介绍了梯度功能材料(functionallygradedmaterials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:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresenta

2、pplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent. Keywords:FGM；composite；theAdvance 0引言 信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。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,

3、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。 1FGM概念的提出 当代航天飞机等高新

4、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,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

5、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。 2FGM的特性和分类 2.1FGM的特殊性能 由于FGM的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

6、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。 2.2FGM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

7、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。 3FGM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

8、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 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

9、色发光元件 玻璃激光透明材料玻璃 折射率不同的材料 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 4FGM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

10、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、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为

11、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

12、本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO28、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等7。 4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis) 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

13、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

14、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1500K,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成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/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