梯度功能材料的研究進(jìn)展

1、梯度功能材料的研究進(jìn)展摘要:本文介紹了梯度功能材料(funtinallygradedaterials簡寫為fg)的根本概念、分類、性質(zhì)和制備方法的根本原理,綜述了國內(nèi)外fg的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀,提出了fg在應(yīng)用方面尚需解決的一些問題，并展望了梯度功能材料的開展前景與方向。關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進(jìn)展keyrds:fg；psite；theadvane0引言信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會開展的三大支柱?，F(xiàn)代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學(xué)的開展。對材料,特別是對高性能材料的認(rèn)識程度、掌握和應(yīng)用才能,直接表達(dá)國家的科學(xué)技術(shù)程度和經(jīng)濟(jì)實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進(jìn)步速度的標(biāo)

2、志。因此,新材料的開發(fā)與研究是材料科學(xué)開展的先導(dǎo),是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。近年來,材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的開展。究其原因,一方面是各個學(xué)科的穿插浸透引入了新理論、新方法及新的實驗技術(shù);另一方面是實際應(yīng)用的迫切需要對材料提出了新的要求。而fg即是為解決實際消費應(yīng)用問題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對新一代航天飛行器打破“小型化，“輕質(zhì)化，“高性能化和“多功能化具有舉足輕重的作用，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點之一。1fg概念的提出當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的開展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數(shù)，其外表溫

3、度高達(dá)2000。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過2000，燃燒室的熱流量大于5/2,其空氣入口的前端熱通量達(dá)5/2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)迫冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000k以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無能為力。假設(shè)采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差異較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落或龜裂現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的缺乏，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念，即以連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面,消除

4、物理性能的突變,使熱應(yīng)力降至最校隨著研究的不斷深化，梯度功能材料的概念也得到了開展。目前梯度功能材料(fg)是指以計算機(jī)輔助材料設(shè)計為根底，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素組成、構(gòu)造沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料。2fg的特性和分類2.1fg的特殊性能由于fg的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點如圖2,因此它能有效地克制傳統(tǒng)復(fù)合材料的缺乏。正如erdgan在其論文中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比fg有如下優(yōu)勢:1)將fg用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地進(jìn)步粘結(jié)強(qiáng)度;2)將fg用作涂層和界面層可以減小剩余應(yīng)力和熱應(yīng)力;3)將fg用作

5、涂層和界面層可以消除連接材料中界面穿插點以及應(yīng)力自由端點的應(yīng)力奇異性;4)用fg代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動力。2.2fg的分類根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)fg有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，fg分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料；根據(jù)其組成變化fg分為梯度功能整體型組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的構(gòu)造材料，梯度功能涂敷型在基體材料上形成組成漸變的涂層，梯度功能連接型連接兩個基體間的界面層呈梯度變化；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度fg，成分fg，光學(xué)fg，精細(xì)fg等；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱fg，生物、化學(xué)工程fg，電子工程fg等。3fg的

6、應(yīng)用fg最初是從航天領(lǐng)域開展起來的。隨著fg研究的不斷深化,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、構(gòu)造、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的fg,并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。功能應(yīng)用領(lǐng)域材料組合緩和熱應(yīng)力功能及結(jié)合功能航天飛機(jī)的超耐熱材料陶瓷引擎耐磨耗損性機(jī)械部件耐熱性機(jī)械部件耐蝕性機(jī)械部件加工工具運動用具:建材陶瓷金屬陶瓷金屬塑料金屬異種金屬異種陶瓷金剛石金屬碳纖維金屬塑料核功能原子爐構(gòu)造材料核交融爐內(nèi)壁材料放射性遮避材料輕元素高強(qiáng)度材料耐熱材料遮避材料耐熱材料遮避材料生物相溶性及醫(yī)學(xué)功能人工牙齒牙根人工骨人工關(guān)節(jié)人工內(nèi)臟器官:人工血管補(bǔ)助感覺器官生命科學(xué)磷灰石氧化鋁磷灰石金屬磷灰石塑料異種塑料硅芯片塑

7、料電磁功能電磁功能陶瓷過濾器超聲波振動子i磁盤磁頭電磁鐵長壽命加熱器超導(dǎo)材料電磁屏避材料高密度封裝基板壓電陶瓷塑料壓電陶瓷塑料硅化合物半導(dǎo)體多層磁性薄膜金屬鐵磁體金屬鐵磁體金屬陶瓷金屬超導(dǎo)陶瓷塑料導(dǎo)電性材料陶瓷陶瓷光學(xué)功能防反射膜光纖;透鏡;波選擇器多色發(fā)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導(dǎo)體稀土類元素玻璃能源轉(zhuǎn)化功能hd發(fā)電電極;池內(nèi)壁熱電變換發(fā)電燃料電池地?zé)岚l(fā)電太陽電池陶瓷高熔點金屬金屬陶瓷金屬硅化物陶瓷固體電解質(zhì)金屬陶瓷電池硅、鍺及其化合物4fg的研究fg研究內(nèi)容包括材料設(shè)計、材料制備和材料性能評價。4.1fg設(shè)計fg設(shè)計是一個逆向設(shè)計過程。首先確定材料的最終構(gòu)造和

8、應(yīng)用條件,然后從fg設(shè)計數(shù)據(jù)庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀構(gòu)造,以及制備和評價方法,最后基于上述構(gòu)造和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。假如調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計算出fg體系中最正確的溫度分布和熱應(yīng)力分布,此時的組成分布函數(shù)即最正確設(shè)計參數(shù)。fg設(shè)計主要構(gòu)成要素有三:1)確定構(gòu)造形狀,熱力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)力學(xué)計算方法,包括有限元方法計算fg的應(yīng)力分布,采用通用的和自行開發(fā)的軟件進(jìn)展計算機(jī)輔助設(shè)計。fg設(shè)計的特點是與材料的制備工藝嚴(yán)密結(jié)合,借助

9、于計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng),得出最優(yōu)的設(shè)計方案。4.2fg的制備fg制備研究的主要目的是通過適宜的手段,實現(xiàn)fg組成成份、微觀構(gòu)造可以按設(shè)計分布,從而實現(xiàn)fg的設(shè)計性能?？煞譃榉勰┲旅芊?如粉末冶金法(p),自蔓延高溫合成法(shs);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(pvd)和化學(xué)相沉積(vd);形變與馬氏體相變10、14。p法是先將原料粉末按設(shè)計的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應(yīng)力緩和的fg。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比擬簡單的fg部件,但工藝比擬復(fù)雜,制備的fg有一定的孔隙率,尺寸受模具限制。常

10、用的燒結(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反響燒結(jié)等。這種工藝比擬合適制備大體積的材料。p法具有設(shè)備簡單、易于操作和本錢低等優(yōu)點,但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進(jìn)展嚴(yán)格控制。國內(nèi)外利用粉末冶金方法已制備出的fg有:g/ni、zr2/、al23/zr2、al23-ni-r、-、-ni等。shs法是前蘇聯(lián)科學(xué)家erzhanv等在1967年研究ti和b的燃燒反響時,發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱部分粉體引燃化學(xué)反響,此后化學(xué)反響在自身放熱的支持下,自動持續(xù)地蔓延下去,利用反響熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反響示意圖如圖6所示16：shs法具有產(chǎn)物純度高、效率高

11、、本錢低、工藝相對簡單的特點。并且合適制造大尺寸和形狀復(fù)雜的fg。但shs法僅合適存在高放熱反響的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結(jié)程度不同,較難控制,因此影響材料的致密度,孔隙率較大,機(jī)械強(qiáng)度較低。目前利用shs法己制備出al/tib2,u/tib2、ni/ti、nb-n、ti-al等系功能梯度材料7、11。噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復(fù)雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍在基體的外表上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機(jī)程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設(shè)計所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣

12、泛地用來制備耐熱合金發(fā)動機(jī)葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(psz)陶瓷和niraly合金9。ps法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達(dá)1500k,同時處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達(dá)1.5k/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反響,隨后被霧化成細(xì)小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結(jié),形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層8、11。該法的優(yōu)點是可以方便

13、的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結(jié),不受基體面積大小的限制,比擬容易得到大面積的塊材10,但梯度涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,外表粗糙等缺陷。采用此法己制備出tib2-ni、ti-ni、tib2-u、ti-al、niral/g-zr2、niral/al23/zr2、niraly/zr210系功能梯度材料激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計好組分配比的混合粉末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,便會產(chǎn)生用b合金化的a薄涂層,并焊接到b基底外表上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過

14、程,就可以獲得任意多層的fg。用ti-a1合金熔覆ti用顆粒陶瓷增強(qiáng)劑熔覆金屬獲得了梯度多層構(gòu)造。梯度的變化可以通過控制初始涂層a的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和挪動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料外表的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層外表有時會出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反響10。采用此法可制備ti-al、-ni、al-si系梯度功能材料7。與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強(qiáng)粒子注射到金屬流束中,這

15、種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強(qiáng)顆粒,典型的如si或al23,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續(xù)地改變增強(qiáng)顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/si復(fù)合材料?？梢允褂脽岬褥o壓工序以消除梯度復(fù)合材料中的孔隙。電沉積法是一種低溫下制備fg的化學(xué)方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到fg膜或材料。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為ti2-ni

16、,u-ni,si-u,u-al23等。此法可以在固體基體材料的外表獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的外表特性,進(jìn)步材料外表的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料外表具有特殊的電磁功能、光學(xué)功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞孝設(shè)備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,消費本錢低廉等顯著優(yōu)點而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只合適于制造薄箔型功能梯度材料。8、10氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體外表成膜的技術(shù)。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現(xiàn)組分的梯度化,合適于制備薄膜型及平板型fg。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜

17、,與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比擬復(fù)雜。采用此法己制備出si-、ti-、r-rn、si-ti、ti-tin、ti-ti、r-rn系功能梯度材料。氣相沉積按機(jī)理的不同分為物理氣相沉積(pvd)和化學(xué)氣相沉積(vd)兩類?；瘜W(xué)氣相沉積法(vd)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反響器中進(jìn)展均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反響并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過控制反響氣體的壓力、組成及反響溫度,準(zhǔn)確地控制材料的組成、構(gòu)造和形態(tài),并能使其組成、構(gòu)造和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設(shè)計要求的fg。另外,該法無須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的fg,因此受到人們的重視。主要使用的材料是-、-si、ti-等系8、10。

18、vd的制備過程包括：氣相反響物的形成；氣相反響物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底12。物理氣相沉積法(pvd)是通過加熱固相源物質(zhì),使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。pvd法的特點是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出ti/tin、ti/ti、r/rn系的fg78、1011通過伴隨的應(yīng)變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性的變形機(jī)制。借助這種機(jī)制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此,在適宜的溫度范圍內(nèi),可以通過施

19、加應(yīng)變(或等價應(yīng)力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(fe-18%,r-8%ni)試樣內(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步消費含有飽和磁化強(qiáng)度連續(xù)變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。4.3fg的特性評價功能梯度材料的特征評價是為了進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計,為成分設(shè)計數(shù)據(jù)庫提供實驗數(shù)據(jù),目前已開發(fā)出部分熱應(yīng)力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機(jī)械強(qiáng)度測定等四個方面。這些評價技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等根底性的工作上。目前,對熱壓力緩和型的

20、fg主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機(jī)械性能進(jìn)展評價。目前,日本、美國正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評價體系78。5fg的研究開展方向5.1存在的問題作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用處各異。尚存在一些問題需要進(jìn)一步的研究和解決,主要表如今以下一些方面5、13:1梯度材料設(shè)計的數(shù)據(jù)庫包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評價等還需要補(bǔ)充、搜集、歸納、整理和完善；2尚需要進(jìn)一步研究和探究統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，提醒出梯度材料物理性能與成分分布，微觀構(gòu)造以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測梯度材料物理性能奠定根底；3隨著梯度材料除熱應(yīng)力

21、緩和以外用處的日益增加，必須研究更多的物性模型和設(shè)計體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開拓道路；4尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子離散理論、滲流理論及微觀構(gòu)造模型，并借助計算機(jī)模擬對材料性能進(jìn)展理論預(yù)測，尤其需要研究材料的晶面或界面。5)已制備的梯度功能材料樣品的體積孝構(gòu)造簡單,還不具有較多的實用價值;6)本錢高。5.2fg制備技術(shù)總的研究趨勢13、15、19-201開發(fā)的低本錢、自動化程度高、操作簡便的制備技術(shù)；2開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的fg制備技術(shù)；3開發(fā)更準(zhǔn)確控制梯度組成的制備技術(shù)高性能材料復(fù)合技術(shù)；4深化研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性。5.3對fg的性能評價進(jìn)展研究2、13有必要從以下5個方面進(jìn)展研究：1熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關(guān)系問題；2熱絕緣性能；3熱疲勞、熱沖擊和抗震性；4抗極端環(huán)境變化才能；5其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等6完畢語fg的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代材料的設(shè)計思想進(jìn)入了高性能新型材料的開發(fā)階段。fg的研究和開發(fā)應(yīng)用已成為當(dāng)前材料科學(xué)的前沿課題。目前正在向多學(xué)科穿插,多產(chǎn)業(yè)結(jié)合,國際化合作的方向開展。參考文獻(xiàn)：楊瑞成，丁旭，陳奎等.材料科學(xué)與材料世界.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20