蒙诗贵20101622功能梯度材料-2学习资料

1、Northeastern University蒙诗贵20101622功能梯度材料-2Northeastern University 针对这种情况，日本材料科学家新野正之、平井敏雄和渡边龙等于1987年首先提出了功能梯度材料的概念。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。Northeastern University图1 FGM结构和特性示意图Northeastern University 2）指材料的组成和结构从材料的某一方位（一维二维或者三维）向另一方位连续地变化，使材料的性能和功能也呈现梯度变化

2、的一种新型的功能性材料（functionalgradientmaterials） 1.2 FGM的概念 1）它是指一类组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的非均质复合材料。（functionally gradedmaterials 新野正之）Northeastern University1.3 1.3 梯度材料与合金材料、复合材料的区别梯度材料与合金材料、复合材料的区别材料材料混杂材料混杂材料复合材料复合材料梯度材料梯度材料设计思想分子、原子级水平合金化组分优点的复合特殊功能为目标组织结构0.1nm-0.1m0.1m-1m10nm-10mm结合方式化学键、物理键分子间力分子间力/

3、物理键/化学键围观组织均质/非均质非均质均质/非均质宏观组织均质均质非均质功能一致一致梯度化Northeastern University1.4 FGM和传统复合材料相比具有的优势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。Northeastern University1.5 功能梯度材料的分类 1）按组合方式分 金属/金属 金属/非金属 金属/陶瓷 非金

4、属/塑料 非金属/陶瓷 陶瓷/陶瓷Northeastern University 2）按组成变化分 梯度功能整体型(从一侧到另一侧组成梯度变化) 梯度功能涂履型(涂层的组成梯度变化) 梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化)3）按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。Northeastern University22 功能梯度材料的设计过程 a. a. 通过计算机辅助设计系统通过计算机辅助设计系统，根据指定的材料结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；选择构形状和受热环

5、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；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，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。最小值的组成分布形状或材料组配。 b.b.把获得的结果作为进行梯度功能材料的制备依把获得的结果作为进行梯度功能材料的制备依据据。一般先制备出较小的试件；然后进行扩大性一般先制备出较小的试件；然后进行扩大性试验。试验。 c.c.将其用于实际环境中进行试验将其用于实际环境中进行试验。 Nort

6、heastern University3 功能梯度材料的制备原料体系方法类别方法气相化学法化学气相沉积法物理法物理气相沉积溅射法离子注入法液相化学法电镀法氧化还原法物理法熔射法熔体凝固法固相法化学法自蔓延法（热分解法）涂层法物理法烧结法部分结晶法扩散法Northeastern University3.1 化学气象沉积法 （CVD） 通过两种气相均质源输送到反应器中进行均匀混通过两种气相均质源输送到反应器中进行均匀混合，在热基板上发生化学反应并沉积在基板上。合，在热基板上发生化学反应并沉积在基板上。此法特点是通过调节原料气流量和压力来连续控此法特点是通过调节原料气流量和压力来连续控制，改变金属制

7、，改变金属陶瓷的组成和结构。陶瓷的组成和结构。Northeastern University3.2 物理气象沉积法（PVD） PVD法是通过物理方法如离子镀，溅射及分子束外延等使源物质蒸发在基体上沉积成膜的一种方法. 这种制备技术主要用于制备薄膜梯度材料。 PVD制备得到的膜是纯物质的，一般和CVD法一起使用Northeastern University3.3 自蔓延烧结法 （SHS） 利用粉末间化学反应产生的热量和反应的自传利用粉末间化学反应产生的热量和反应的自传性，使材料烧结、合成的方法性，使材料烧结、合成的方法. . 此法过程简单，反应迅速且耗能少。可通过加压此法过程简单，反应迅速且耗能

8、少。可通过加压来提高致密度。来提高致密度。 最适合于生成热大的化合物的合成如最适合于生成热大的化合物的合成如AlNAlN、TiCTiC、TiBTiB2 2等等 Northeastern UniversityNortheastern University 钢 管铝热剂Al2O3陶瓷Fe层SHS-SHS-离心法制备陶瓷内衬复合钢管离心法制备陶瓷内衬复合钢管Northeastern University3.4 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。制两种粉末的相对供给速率来预先设置混合比率。 使用

9、粉末作为喷涂材料，以氦气、氩气等气体为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扁平，使涂层具有相对低的体基底上时变得相当扁平，使涂层具有相对低的孔隙率。孔隙率。Northeastern UniversityNortheastern University3.5 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将金属、陶瓷等

10、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/ /片后进行叠层烧结。片后进行叠层烧结。 控制各组分混合比，使压后的粉坯梯度层间任一控制各组分混合比，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。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。缓和的梯度功能材料。Northeastern University通过粉末冶金混合烧结成的FGM结构示意图Northeastern University3.6 激光熔覆法 把材料把材

11、料A A放到基底放到基底B B表面上，用激光将其与表面上，用激光将其与B B基体中基体中表面薄层一起熔化，在表面薄层一起熔化，在B B表面形成表面形成B B合金化的合金化的A A层。层。 重复操作，在重复操作，在B B表面产生表面产生B B含量逐渐减少的梯度。含量逐渐减少的梯度。 梯度变化可通过控制初始梯度变化可通过控制初始A A层的数量、厚度及熔区层的数量、厚度及熔区深度来获得。深度来获得。Northeastern University激光熔覆将材料激光熔覆将材料A A合金化合金化到材料到材料B B制备制备FGMFGM示意图示意图Northeastern University方法名称方法名称

12、优点优点缺点缺点气相沉积法气体的压力、组成及反应温度可以控制；可制备大尺寸的功能梯度材料。沉积速率慢；成份分布不能连续控制；不能制备出大厚度的梯度膜,涂层与基体结合强度低、设备比较复杂。自蔓延烧结法合成时间短、操作简单；产品纯度高、效率高、能耗少、工艺相对简单；能够制备大体积的梯度材料。成分不均匀,造成反应热相差较大；需要专用设备。等离子喷涂法可以调整粉末的组成、沉积率高、无需烧结、不受基体面积大小的限制；涂层的界面结合强度、抗热冲击性和热疲劳性均明显改善。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。Northeastern University粉末冶金法易

13、于操作，控制灵活，适于工业生产，可以制备大尺寸材料，可靠性高、适合于制造形状比较简单的功能梯度材料部件。工艺比较复杂、制备的梯度材料有一定的孔隙率；不能做到材料成分的连续过渡。离心铸造法能制备高致密度、大尺寸的梯度材料。限于管状或环形零件。激光融覆法熔覆速度非常快。需要特殊的设备。Northeastern University 4 功能梯度材料的应用 4.1 热应力缓和型梯度材料热应力缓和型梯度材料 减少或克服高温、大温度落差减少或克服高温、大温度落差、高速热流冲刷高速热流冲刷和动态机械负荷下由于结合部位热、力学性能不和动态机械负荷下由于结合部位热、力学性能不匹配造成的材料破坏匹配造成的材料破

14、坏 Northeastern University4.2 船舶工业 在在舰船甲板上可采用含热障的、抗摩擦或抗冲击的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，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。船的防护及搭载飞行器具有重要意义。航空母舰的夹板Northeastern University4.3 汽车工业 为对柴油机或汽油机

15、活塞头进行热保护，需在钢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基底上喷涂厚度大于2mm2mm的的ZrOZrO2 2涂层。如果直接在涂层。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金属上覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。面脱层。 通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属- -陶瓷复合陶瓷复合梯度涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。梯度涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。Northeastern University4.4 能源工业 核反应堆内壁温度高达数千核反应堆内壁温度高达数千K K，其内壁材料采用单，其内壁材料采用单纯

16、双层结构，热传导不好，孔洞较多，热应力下纯双层结构，热传导不好，孔洞较多，热应力下有剥离倾向。有剥离倾向。 采用金属采用金属/ /陶瓷结合的梯度材料，能消除热传递及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，可替代目前热膨胀引起的应力，解决界面问题，可替代目前不锈钢不锈钢/ /陶瓷复合材料。陶瓷复合材料。Northeastern University4.5 光学器件工业 梯度功能材料推动一个新的光学分支梯度功能材料推动一个新的光学分支- -梯度折射率梯度折射率光学的形成，在光学器件中有大量应用。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

17、，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。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率光纤可以自聚焦，提高耦合效率Northeastern University梯度折射透镜棒透镜Northeastern University包层n2纤芯n1梯度多膜塑料光纤Northeastern University4.6 生物医学工业 羟基磷灰石羟基磷灰石(HA)(HA)陶瓷和钛或陶瓷和钛或Ti-6Al-4VTi-6Al-4V合金组成的合金组成的梯废功能材料可作为仿生人工关节和牙齿。梯废功能材料可作为仿生人工关节和牙齿。 HAHA是生物相容性优良的生物活性陶瓷，钛及其合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，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人造牙的齿根外表采用耐磨性优良的HAHA陶瓷，内陶瓷，内部采用可承受较大变形的钛或部采用可承受较大变形的钛或Ti-6Al-4VTi-6Al-4V合金。合金。Northeastern University此外，梯度技术还可以用于半导体器件、化工容器及此外，梯度技术还可以用于半导体器件、化工容器及部件等的制作。部件等的制作。功能梯度材料还处于研究、