功能梯度材料的发展及展望

1、梯度功能材料的发展及展望摘要本文从梯度功能复合材料(FGM )比较大的万面进行论述，包括 FGM 由来、分类、特征、制备工艺及优缺点和应用领域。意在总结FGM的比较优异的制备方法，考虑较多的结构与材料的优化，以及比较新的应用领域。关键词梯度功能材料制备工艺结构材料优化AabtractThis article discusses from the fun cti onal gradie nt material(FGM) relatively large aspects includingoriginclassification, characteristics, preparation proc

2、ess, the advantages, disadvantages and application. Comparing the excellent summary of FGM preparation methods, optimization of structure and material are considered, and the application field is relatively new.Key wordsFGM，preparation process optimize structure1引言人类很早就认识到非均质材料存在于自然界中，如骨骼、竹子、岩石等物体中2

3、0世纪80年代以来，随着航天航空工业的发展，材料的隔热的问题成为人们关 注的焦点，特殊的服役条件使一般的均质材料面临高温及大温度梯度的挑战，即使采用陶瓷或金属复合材料，但由于两者的膨胀系数差异，在高温条件使用时会 产生巨大热应力，导致在材料表层出现剥落，使材料失效。针对这种情况，日本科学家于1987年首先提出梯度功能复合材料（FGM） 概念。图1为FGM示意图。FGM主要优势体现在可以连接两种不相容材料， 提 高粘结强度，减小不同材料的之间的残余应力和裂纹驱动力， 消除不同材料的交叉点。I/ 0C0O8C08.魯直力1444!图1功能梯度材料的结构和特性FGM 是两种或多种材料复合组成和结构呈

4、连续梯度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，实现功能梯度材料。FGM 按组合方式上分为金属 /陶瓷、金属/金属、陶瓷/非金属、非金属 /塑料、 陶瓷/陶瓷、金属/非金属。 FGM 按组成变化上分为梯度功能整体型、梯度功能涂 覆型、梯度功能连接性。 FGM 按功能上分为热防护功能梯度材料、折射率功能 梯度材料。FGM 的研究包括材料设计、材料制备和材料的特性评价，材料制备是研究 的核心，材料设计为 FGM 合成提供最佳的组成和结构梯度分布，材料特性评价 通过建立针对 FGM 特性的一整套标准化实验方法，对 FGM 进行测试 ,三者相辅 相成，缺一不可。FGM 具有显

5、著特征 3：（ 1）组分结构和物性参数都呈连续变化，可提高界 面区域材料强度； （2）同一材料的两侧具有不同性质或功能， 且结合良好；（3） 在苛刻的使用条件下性能匹配而不发生破坏。FGM 一方面避免了金属和陶瓷之间因物理及力学性能上的巨大差异所造成 的界面应力问题，另一方面又能充分缓解材料在使用过程中因高温度梯度落差所 产生的热应力。位错和晶界缺陷是引起金属 /陶瓷梯度材料（ C/M FGM ）损伤和 断裂的主要基础。在热冲击下， C/M FGM 材料和结构有可能损伤微开裂 ,直至断 裂。C/M FGM材料和结构在热冲击下的断裂是脆性的4。2 梯度功能复合材料制备工艺FGM 制备工艺方法类别

6、上有物理方法，也有化学方法。常规功能梯度材料 制备是在是在基体中掺入强度较高的金属颗粒或陶瓷颗粒， 颗粒含量向基体内部 逐渐减少 5。物理气相沉积法（ PVD ）：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。 主要用于制备薄膜梯度材料。 若经热处理可以得 到平滑多层薄膜的浓度梯度 , 以达到最佳的成分分布。徐娜等利用 PVD 法已制 备出 NiCr/ZrO2/Y2O5 、Al/Zr 、ZrO2/NiCrCoAl 等多层 FGM。化学气相沉积法 （CVD） ：通过两种气相均质源输送到反应器中进行均匀混 合，在热基板上发生化学反应并沉积在基板上。 通过调节原料气流量和压

7、力改变 组成和结构。 PCVD 综合了 PVD 和 CVD 的优点， 由于 CVD 温度一般高于 PVD 温度，所以在基体低温侧采用 PVD，高温侧采用CVD，扩大了使用范围。李运 刚等采用该方法已经制备出 30mm厚的SiC/C/TiC多层FGM。自蔓延烧结法（SHS）:利用粉末间化学反应产生的热量和反应自传性，使 材料烧结、 合成的方法。 可通过加压来提高致密度。 适合于生成热大的化合物的 合成6 。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 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、氩气等为 载体，吹入高温等离子体射流。 等离子体射流把

8、能量传递给颗粒， 粉末被熔融后 进一步加速， 高速冲撞基材表面形成涂层。 高速使颗粒撞到固体基体上时变得相 当扁平，使涂层具有相对低的孔隙率。 研究人员检测用铁基高温合金金属粉末与 氧化铝陶瓷粉末， 结果表明制备的金属 /陶瓷 FGM 枝晶无明显长大痕迹且生长方 向较一致，不同成分之间的晶粒尺寸过渡自然，无成分突变现象 7。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进行加 压烧结，也可将不同组分粉末压成薄膜 /片后进行叠层烧结。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， 梯度层间结合紧密。 调节粉末粒 度分布和烧结工艺， 可得良好热应力缓和功能梯度材料

9、。 由于较固相烧结具有更 快的致密化 , 人们纷纷采用液相烧结。 液相烧结是将粉末压实体加热到足够高的 温度, 使预制块中出现液相的烧结过程利用粉末冶金法制备FGM ，由于相邻层材料不同收缩率而出现裂纹，韩国学者建立金属 /陶瓷 FGM 一维收缩率数学模 型，可预测多层样品每层中生坯和烧结体的密度， 进而得到样品的孔隙率， 并最 终控制功能梯度材料的收缩率，实现无裂纹金属 -陶瓷功能梯度材料的制备。碳 化硅颗粒与铜基粉末冶金后界面结合良好， 强化在于载荷转移、 加工硬化和细晶 强化8。激光熔覆法:把材料 A 放到基体 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

10、 合金化 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 层数量、厚度及熔区深度来获得 9。 目前，该方法已应用于航空涡轮发动机叶片、 汽车缸体、 汽轮机叶片和人体置入 件等表面的改善，制备具有生物活性的功能梯度材料将是未来该方法的研究热点。采用此法制备出了 Ti/AI、WC/Ni、Al/SiC系功能梯度材料。图2激光熔覆方法制备梯度涂层工艺功能梯度材料的制备方法HAT 的 制冇 袪粉末致密浚自蔓延高温合咸法田等离子喷涂法热喷涂近积激光熔覆法电沉和法物理气相沉积法c 1VD)化学气相沉和法c (_VD)涂层法气相机积分层制審注 形变召氏休相变图4FGM

11、制备方法优缺点优点戟点气紳删法飞休的乐尢，删应尺应强涓农 可臥揑制；町制材大尺寸的功 施梯度材料.40匿率慢,战仞布不 躺连耀轮樹；不能制备出 大号虎曲梯度膜,涂层与 耳休结含强度低.设紿比 加溟杂.1蔓駆烧结法合成时闻簸*慷怦单1产品 純度髙r殖率高、離赦k工 单；能憾制征人律和 的梯度材料。可臥调蔡赫未的俎成、沉馭率 高、无需烧站、不受甚林面枳 大出的限rhh汾层的界面結合 裁扈、#t熾冲击性和热曠壮 均明显改苦.威分不均匀，适啟反应热 杓星校大2需耍艺用设缶.梯度涂是与墓休间的结a 眯度不鬲存吃爆圧爼 织、均L空旳疏松、表 面粗槌瞬m彫木冶金法1晶丁揀控制灵活F适丁F 业主严可以制铀大尺

12、寸鬥料， 可靠性奇、墳令丁制怡溜状Lt 较简宜內戊能榇度样料部件.工艺比校复杂、制备的梯 度林料有一定的孔瓏舸 不能做到林料威井的连续离M铸造広能制#彌密度.大尺寸的桶 度材料.限I曾狀咸坏帘零杵.眾此削覆泊熔覆厲皮非常快，需墓特跌的设备3梯度功能复合材料应用FGM由于其特殊的内部结构而表现出特殊的性能，使其在航天航空、能源 工业、电子工业、光学材料、化学工程和生物医学工程等领域得到广泛的应用。3.1高强度耐热材料这类是功能梯度材料的主要应用领域，它以陶瓷/金属组合为主。主要应用于 航天工业、核能源等领域。由于航天飞机在进出大气层的过程中，机头尖端和机翼前沿可以达到1600K的高温，同时作为航

13、天飞机机体的超耐热材料要具有高的 强度。有效地利用功能梯度材料的特点，可以很好地满足航天工业的要求。功能 梯度材料是未来航天发动机的理想材料。FGM可用于航天领域喷漆燃料室和重复使用型的火箭燃烧器、核反应堆材 料，能消除热传递及热膨胀引起的应力，解决内层容易剥落的问题。石墨为单相润滑剂，制备了氧化锆基功能梯度材料，通过调节石墨在材料中 的空间分布特征，可以调节参与应力和性能优化。增大梯度层数和承载层厚度均 有利于梯度材料力学性能的提高。实现了陶瓷复合材料的结构/润滑功能一体化 10。3.2梯度折射光学材料梯度折射率微型光学元件是集成光学和光计算机的主要组件，因此在光学系统中有良好的应用前景。其

14、中梯度折射率透镜大大减少组件总数和非球面组件总 数、简化结构。FGM组成的光学系统体积小、数值孔径大、焦距短、端面为平面、消像差性好。梯度折射率光纤自聚焦、提高耦合效率 11。生物医学材料动物的牙齿、骨头、关节等都是无机材料和有机材料的完美接合，重量轻、 韧性好、硬度高。用功能梯度材料制作的牙齿、骨头、关节等可以较好地接近以 上要求。例如应用功能梯度材料制成的牙齿， 埋入生物体内部的部分由多孔质且 和人体有良好的相容性的陶瓷组成 ,由外向里气孔减少。露出的外部是硬度高的 陶瓷，为保持强度中心部分由高韧性的陶瓷组成。可以保证生物相容性的同时， 提供一定的强度支持。将金属钛与生物活性陶瓷梯度设计能

15、缓和种植义齿与颌骨结合界面之间的 应力集中， 并提高生物力学相容性及生物活性， 增强种植体的早期稳定性与长期 结合性。利用人造骨骼梯度多孔钛合金采用粉末冶金的方法制得的梯度材料层间 厚度精确、开孔连通性良好、界面准连续 12。电子材料随电子仪器日趋轻量化、 高密度化和微型化，迫切需要电子元件基板一体化、 二维或三维复合型电子产品用 FGM 来制造非常适合。 PZT 压电陶瓷用于制造超 声波振子、陶瓷滤波器等电子元件但其在温度稳定性和失真震荡方面存在问题。 通过调整材料梯度化， 能使压电系数和温度系数等性能得到最恰当的分配， 提高 压电陶瓷性能 13 。其他领域采用介电功能梯度材料（ d-FGM

16、 ）在绝缘领域提升耐电强度的原理在于 d-FGM 的介电常数由外电极向内渐变递增时，如图所示，原先的强场区电场被 有效降低而弱场区电场则被提升， 电场分布趋于均匀， 局部电场集中问题将得到 解决。通过 d-FGM 调控绝缘系统的电场分布，抑制局部电场集中现象，将能够 显著提升绝缘系统的耐电强度和使用寿命。 刀具采用功能梯度涂层能解决结高性 能刀具合力的问题 14。I 刀 劝I J/ir TH jM* * b- * 冒1二仃吟町rlid|介电匕幻寸申ici 11 Hh 阳图5不同类型绝缘结构的介电常数及电场分布对比FGM涂层与整体结构陶瓷相比，集金属强韧性、可加工性、导热导电和陶 瓷材料耐高温、

17、耐磨损、耐侵蚀于一身。而且制涂层品种多、功能广、基体材质 多、制粉方法多、不受尺寸和场所限制、沉积速度快、厚度可控等优点。梯度涂 层与基体间的结合是以强化学作用的键结合为主 ，其结合力远大于均匀陶瓷涂层 与金属基体间的结合力15。熔融的合金粉末到达基体表面时，产生放热反应持续数微秒，这样使涂层与 基体之间形成牢固的冶金结合，冶金层厚度可达 1 m左右。同时,涂层的表面粗 糙，容易与其它涂层结合。产生化学结合的涂层具有较好的抗氧化性和抗腐蚀性。 FGM涂层目前比较一致的看法是以机械结合为主， 除此之外还有物理化学结合。用于食品过滤的梯度316L不锈钢采用选区激光熔化成型，不同选区对应不 同的扫描

18、速率，选区间形成界面、层间平行度好、界面明显。用于吸声降噪梯度 多孔铝合金采用熔渗法开孔连通性好、界面不影响声波吸收，生坯粒径梯度造成 多孔铝合金的界面16。为了保证拉丝机卷筒有刚度、有韧性并且耐磨，可采用渗碳、渗氮、热喷涂 硬质合金、热喷涂陶瓷等方法；为提高拉丝模的使用寿命 ，可采用化学气相沉积 法对拉丝模进行碳化钛、氮化钛等涂层；为了增加钢丝与橡胶的结合力，采用热扩散镀黄铜的方法，形成内层与钢有良好结合力、外层与橡胶有良好结合力的性 能呈梯度变化的镀黄铜钢丝功能材料。能源方面，FGM应用于燃料和太阳能电池、热电设备，表现出高的热传导 率和辐射放热率，并提高材料的耐热、耐热冲击性能。在核工程

19、方面，FGM主要用于核熔炉的内壁等原子反应堆的核心部件、等离子测量分流器，具有耐热、 耐辐射、耐腐蚀等性能如梯度耐辐射材料具有良好的热应力松池。图6 FGM在各领域中的具体应用工业報毘应甲举咧功能宇航工业忖;飞机机it发动忸懺烧重FJ堡耐蕊神击、隔林、耐对啧裁应R巍和机啪工程廩动机工目槎，射张、制动誥及耳他零都件耐热耐耐置高矿强韧性核能工程反应堆主壁用用边尊蔦子师测号可胶身:性耐担应力*進光性.耐诵抽性光电H程犬功车扇吮嚎,亘印呱追链.吮丼转巨M应丈1垛卡口亟登光电性，小度折期化学H程高分于卓僮化亂度曲話熾烧电利爭fft热，耐培谊,高强度右写命等生狗医宇人诰牙啬点辭.矢节、善盲、仍牛T稈制品高

20、的匕蒂克比棋虽、吊亍愈合、條额等电瓏二程陶瓷过號理*振高理*坯盘.永坯肃电薙体等电皤梯度吐熬导电及鉅缕璀度功能零光纤无件.低仇呻威爲言音峙感码廉百倩已偉递料变应JT溢.减居皐量民用及建说妖、纤肆，衣物備品、熾具商i瑁热0宰,冇希好健、淒貫降闻等4结论与展望梯度功能材料自应用以来受到广泛关注，已制备的梯度功能材料样品的体积 小、结构简单，还不具有较多的实用价值。主要发展方向是低成本、大尺寸和复 杂形状、更精确控制梯度组成及工艺机理。FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶 段。另外无论应用在哪个领域，都希望梯度功能材料在结构与材料方面进行更好 的性能优化，能解决更多实际问题。参考文献张光辉金属一陶瓷梯度材料强度问题的理论研究D.武汉理工大学，2004.晏鲜梅，熊惟皓，郑立允.表面处理制备Ti(C,N)基金属陶瓷功能梯度材料J.稀有金属材料与工程,2016,35(2):50-52.李云凯，王勇，钟家湘等.功能梯度材料J.材料导报,2002,16(10):9-11.王双