第14章 梯度功能材料

1、第十四章第十四章 梯度功能材料梯度功能材料 14.1 梯度功能材料的概念梯度功能材料的概念 14.2 梯度光折射率材料梯度光折射率材料 14.3 热防护梯度功能材料热防护梯度功能材料 14.4 梯度功能材料的展望梯度功能材料的展望 教学目标及基本要求教学目标及基本要求 掌握梯度功能材料的概念，梯度折射率材料的折掌握梯度功能材料的概念，梯度折射率材料的折射率类型，梯度折射率材料的特征值，热防护梯射率类型，梯度折射率材料的特征值，热防护梯度功能材料原理的设计，热防护梯度功能材料的度功能材料原理的设计，热防护梯度功能材料的特性评价。特性评价。 熟悉和了解梯度折射率材料的种类和制法，梯度熟悉和了解梯度

2、折射率材料的种类和制法，梯度折射率材料的应用前景，热防护梯度功能材料的折射率材料的应用前景，热防护梯度功能材料的种类和制备方法，热防护梯度功能材料的应用前种类和制备方法，热防护梯度功能材料的应用前景，梯度功能材料的展望。景，梯度功能材料的展望。 教学重点和难点教学重点和难点 （1）梯度功能材料及其主要特征）梯度功能材料及其主要特征 （2）梯度折射率材料的折射率类型）梯度折射率材料的折射率类型 （3）梯度折射率材料的特征值）梯度折射率材料的特征值 （4）热防护梯度功能材料的设计概念）热防护梯度功能材料的设计概念 （5）热防护梯度功能材料的特性评价）热防护梯度功能材料的特性评价第十四章第十四章 梯

3、度功能材料梯度功能材料14.1 梯度功能材料的概念梯度功能材料的概念 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变化的一种新型复合材料。 梯度功能材料的主要特征有以下三点： （1）材料的组分和结构呈连续梯度变化。 （2）材料内部没有明显的界面。 （3）材料的性质也相应呈连续梯度变化。 最早研究的梯度功能材料是光学梯度功能材料。 1900年美国的Word用明胶做成了光折射率沿径向连续变化的圆柱棒，称之为梯度折射率材料。 1969年，日本的北野等人用离子交换工艺制成玻璃梯度折射率棒材和光纤，达到了实用水平。 1984年日本国立宇航实验室为适应宇航技术的发展，提出了梯度功能材料

4、的设想。 1987年日本平井敏雄等人提出了金属和陶瓷复合的热防护梯度功能材料的概念。 1990年10月在日本召开了第一届梯度功能材料国际研讨会。 我国1980年开始研究梯度功能材料。1991年梯度功能材料及其应用列入了国家863计划和国家自然科学基金项目。研究发展较快，进展较好。 14.2 梯度光折射率材料梯度光折射率材料 传统的光学材料都是均质的，折射率为常数。 梯度折射率材料则是一种非均质材料，它的组分和结构在材料内部按一定规律连续变化，从而使折射率也相应地呈连续变化。 一、梯度折射率材料的折射率梯度类型和成像原理一、梯度折射率材料的折射率梯度类型和成像原理 梯度折射率材料按折射率梯度分为

5、三种类型：径向、轴向和球向梯度折射率材料。 （一）径向梯度折射率材料（一）径向梯度折射率材料及其成像原理及其成像原理 径向梯度折射率材料是圆棒状的。它的折射率沿垂直光轴的半径从中心到边缘连续变化，等折射率面是以光轴为对称轴的圆柱面。 （二）轴向梯度折射率材料（二）轴向梯度折射率材料及其成像原理及其成像原理 轴向梯度折射率材料的折射率沿圆柱形材料的轴向呈梯度变化。 （三）球向梯度折射率材料（三）球向梯度折射率材料及其成像原理及其成像原理 球向梯度折射率材料的折射率对称于球内某点而分布，这个对称中心可以是球心，也可以不是。它的折射率面是同心球面。 二、梯度折射率材料的特征值二、梯度折射率材料的特征

6、值 梯度折射率材料的特征值主要有： 1、折射率分布曲线：最重要的特征值。 2、梯度的色散：包括材料在基本折射率和梯度折射率两方面的色散。 3、梯度的最大斜率：可从折射率分布曲线求得。 4、透过率：透过率当然越高越好。 5、梯度深度：梯度深度决定了梯折材料的尺寸。 6、折射率变化范围：最大折射率差n。 三、梯度折射率材料的种类和制法三、梯度折射率材料的种类和制法 梯度折射率材料的制作和元件制作是同步进行的。 按化学成分分为无机材料和高分子材料两大类。 玻璃梯折材料的优点是透过率高，折射率差大，像差和色差小，分辨率高。缺点是比重大，尺寸小，冲击强度差，制作过程较复杂。 高分子梯折材料的优点是比重小

7、，价格低，易加工，抗冲击强度大，可制成大尺寸产品和三维光波导元件。缺点是透过率和分辨率较低，折射率可调范围小，色差大和热性能差等。 按元件的构造分为径向、轴向梯度折射率棒透镜，球向梯度折射率球透镜，平板透镜，平板微透镜阵列，梯度折射率光波导元件等。 梯度折射率材料的制备方法 （一）无机梯度折射率材料的主要制备方法（一）无机梯度折射率材料的主要制备方法 1、离子交换法 2、化学气相沉积法 3、分子（离子）填充法 4、晶体增长法 5、溶胶凝胶法 6、光刻离子交换法 （二）高分子梯度折射率材料的主要制备方法（二）高分子梯度折射率材料的主要制备方法 1、扩散法 2、扩散化学反应法 3、扩散共聚法 4、

8、光共聚法 5、悬浮共聚法 6、沉淀共聚法 7、蒸气转移扩散共聚法 8、界面凝胶共聚法 四、梯度折射率材料的应用前景四、梯度折射率材料的应用前景 梯度折射率材料制成的光学元件具有显著的特点。因此，它在光学系统中有着良好的应用前景。 14.3 热防护梯度功能材料热防护梯度功能材料 热防护梯度功能材料的应用目标主要是用作航天飞机和宇宙飞船的发动机材料和壳体材料。 新一代航天飞机是兼有航天往返和特超音速航空两用的飞机，也叫空天飞机。不用火箭助推发射，而是靠发动机推力从一般跑道上起飞和着陆。 新一代航天飞机对热防护材料提出了更高的超耐热性、耐久性和长寿命的要求。 热防护梯度功能材料的开发研究包括材料设计

9、、材料合成（制备）和材料特性评价三部分。 热防护梯度功能材料的研究开发体系见图141。图141 热防护梯度功能材料的研究体系 一、热防护梯度功能材料原理的设计一、热防护梯度功能材料原理的设计 金属强度高、韧性好，但不耐高温和腐蚀。 陶瓷耐高温、抗腐蚀，但脆性大，不耐冲击。 若将金属和陶瓷组合可以充分发挥两者的优点，克服其缺点。但普通的粘结或组合技术，由于两者界面的热膨胀系数不同，而产生很大的热应力，引起剥离、开裂和脱落，造成材料的破坏。 梯度功能材料的设计概念如图142所示，它是一种使金属和陶瓷的组分和结构呈连续变化，从而物性参数也呈连续变化的复合材料。 这种复合材料的一侧由陶瓷赋予耐热性，另

10、一侧由金属赋予其机械强度及热传导性，并且二侧之间的连续过渡能使温度梯度所产生的热应力得到充分缓和。 图142 热防护梯度功能材料设计概念 梯度功能材料设计的目的是为了获得最优化的材料组成和组成分布（曲线）。 在热防护梯度功能材料的设计中，梯度功能材料所需的物性数据的推定方法和梯度功能材料的理论模型和热应力解析方法是两项主要研究内容。它们严重影响设计的正确和精确程度。 二、热防护梯度功能材料的种类和合成方法二、热防护梯度功能材料的种类和合成方法 热防护梯度功能材料主要是陶瓷-金属系梯度材料。已报导的有TiC/Ni、TiC/Ti、TiB2/Al、ZrO2/W等。 热防护梯度功能材料的主要制备方法有

11、： 1、气相沉积法 2、等离子喷射沉积法 3、颗粒梯度排列法 4、薄膜叠层法 5、自蔓延高温合成法 6、离心铸造法 三、热防护梯度功能材料的特性评价三、热防护梯度功能材料的特性评价 热防护梯度功能材料由于其组成和性能是呈梯度变化的，因此不能采用常规的测试评价方法。 热防护梯度功能材料的特性评价包括三个方面。 1、局部热应力评价 采用激光和超声波的方法。 2、热屏蔽性能评价 它包括热性能评价和模拟环境下热屏蔽性能评价。 3、破坏强度评价 包括断裂强度评价、热冲击评价和热疲劳评价。 四、热防护梯度功能材料的应用前景四、热防护梯度功能材料的应用前景 热防护梯度功能材料主要应用于航天工业。它可以用于航

12、天飞机和宇宙飞船的壳体，如日本已研制成能耐1700的ZrO2/Ni梯度功能材料，准备用作马赫数大于20的可重复使用的航天飞机的机体材料。也可以用作航天飞机发动机的燃烧室材料。还可用于喷气燃烧器和重复使用型的火箭燃烧器，如日本国立宇航研究所提出了由梯度功能材料组成的超高温涡轮叶片的设想。热防护梯度功能材料也可以应用于其他的高温、高磨损领域如各种发动机、燃烧室、核反应堆等。14.4 梯度功能材料的展望梯度功能材料的展望 梯度功能材料的研究和发展方向。 （一）进一步研究热防护梯度功能材料（一）进一步研究热防护梯度功能材料 热防护梯度功能材料的研究仍将以材料设计、材料合成和材料特征评价为中心，集中几个方面。 1、提高设计的可靠性和精度 2、研究材料组成种类 3、研究材料制备的新工艺 4、建立特性评价的标准和试验方法 5、热防护梯度功能材料的应用前景 （二）进一步研究梯度折射率功能材料（二）进一步研究梯度折射率功能材料 进一步研究制备大尺寸，性能优良的梯度折射率材料。研究梯度折