梯度功能材料

梯度功能材料目錄梯度功能材料簡介

分類及與復(fù)合材料的區(qū)別

應(yīng)用領(lǐng)域

未來的發(fā)展趨勢(shì)

引言

梯度功能材料是上世紀(jì)八十年代中期開發(fā)可往返于太空與陸地的航天飛機(jī)外部用耐熱材料而提出的一個(gè)嶄新的材料概念。構(gòu)件中材料成分和性能的突然變化常常會(huì)導(dǎo)致明顯的局部應(yīng)力集中。如果一種材料過渡到另一種材料是逐步進(jìn)行的，這些應(yīng)力集中就會(huì)大大地降低,這就誕生了梯度功材料。2003年2月美國哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事圖片航天飛機(jī)飛行時(shí)預(yù)想的表面溫度定義

發(fā)展簡介梯度功能材料其實(shí)不是新事物。越王勾踐劍深埋地下2400多年，1965年出土?xí)r依舊寒光逼人，鋒利無比。劍的主要成分是銅、錫及少量鋁、鐵、鎳、硫。劍的各部位銅和錫的比例不一，形成良好的成分梯度。劍脊含銅較多，韌性好，不易折斷；劍刃含錫高，硬度大，非常鋒利；護(hù)手花紋處含硫高，硫化銅可防銹蝕。發(fā)展竹子是一種典型的梯度功能材料，人類和動(dòng)物身體中的骨骼也是一種梯度材料，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中的最強(qiáng)單元承受最高的應(yīng)力。生物的梯度結(jié)構(gòu)與人造梯度結(jié)構(gòu)之間存在很大差異。有生命的FGMs是“有智能的”，它們能感受所處環(huán)境的變化(包括局部應(yīng)力集中)，產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修改，而人造梯度材料至少在目前還缺乏這種功能。竹子竹節(jié)中纖維素含量變化

在過去的幾十年里，材料科學(xué)的研究和發(fā)展主要集中在均質(zhì)材料，如金屬、合金、陶瓷聚合物等。它們的性能在宏觀上均勻分布，不隨空間變化。但隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，均勻材料開始面臨許多挑戰(zhàn)。發(fā)展人們發(fā)現(xiàn)，無論是使用傳統(tǒng)的金屬材料，還是使用傳統(tǒng)的陶瓷一金屬(或合金)復(fù)合材料，雖然可以耐高溫沖擊，但由于陶瓷和金屬間存在明顯的界面，界面兩側(cè)材料(陶瓷和金屬)的熱膨脹系數(shù)不同，高低溫沖擊時(shí)在界面處會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，使材料裂縫、剝落、失效。因?yàn)楦叩臒釕?yīng)力循環(huán)問題，一般材料難以滿足這種苛刻的使用環(huán)境，所以設(shè)想兩側(cè)分別用陶瓷和金屬，在中間加入梯度過渡層，以減少和克服結(jié)合部位的性能不匹配因素。發(fā)展1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡邊龍三人提出使金屬/陶瓷復(fù)合材料的組分、結(jié)構(gòu)和性能呈連續(xù)變化的熱防護(hù)梯度功能材料的概念。1990年，日本召開第一屆梯度功能材料國際研討會(huì)。發(fā)展1993年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所開始以開發(fā)超高溫耐氧化保護(hù)涂層為目標(biāo)的大型梯度功能材料研究。1995年德國發(fā)起一項(xiàng)六年國家協(xié)調(diào)計(jì)劃，主要研究功能梯度材料的制備最近，通過改變復(fù)合兩相的配制，在復(fù)合材料內(nèi)部形成精細(xì)的構(gòu)造梯度(將預(yù)先存在的不同相進(jìn)行人為組合)。迄今為止，梯度功能材料已發(fā)展為當(dāng)前結(jié)構(gòu)材料和功能材料研究領(lǐng)域中的重要主題之一。梯度功能材料（functionallygradedmaterials），簡稱（FGM）。廣義的梯度功能材料的定義是:根據(jù)具體材料要求，選擇兩種或多種具有不同性能的材料，通過連續(xù)地改變這兩種或多種材料的組成和結(jié)構(gòu)使界面消失，從而得到物性和功能相應(yīng)于組成和結(jié)構(gòu)的變化而緩慢變化的非均質(zhì)材料，又稱為功能梯度材料，漸變功能材料等。定義梯度功能材料與均一材料、復(fù)合材料不同。它是一種集兩種或多種性能不同的組分(如金屬、陶瓷、纖維、聚合物等)于一體的新型材料，通過連續(xù)地改變這兩種（或多種）材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其界面消失導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)和物理、化學(xué)、生物等單一或綜合性能都呈連續(xù)變化，以適應(yīng)不同環(huán)境，實(shí)現(xiàn)某一特殊功能。梯度功能材料制備的耐磨軸承，外表為陶瓷，內(nèi)表面為金屬梯度功能材料主要通過連續(xù)控制材料的微觀要素(包括組成、結(jié)構(gòu))，使界面的成分和組織呈連續(xù)性變化，主要特征有：材料的組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)性梯度變化；材料內(nèi)部沒有明顯的界面；材料的性質(zhì)也呈連續(xù)性梯度變化。ZrO2-CrNi合金FGM橫截面，白色的陶瓷粉末與黑色的合金粉末含量呈連續(xù)性梯度變化，沒有明顯的界面，分類（1）根據(jù)材料的組合方式分為：金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料（2）根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為：密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等

（3）根據(jù)其組成變化分為：梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)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(gè)基體間的界面層呈梯度變化）；（4）根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域可分為：耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等。梯度功能材料由幾種性質(zhì)不同的材料組成，但與復(fù)合材料之間有明顯區(qū)別。材料復(fù)合材料梯度材料設(shè)計(jì)思想材料優(yōu)點(diǎn)的相互復(fù)合特殊功能為目標(biāo)結(jié)合方式化學(xué)鍵/物理鍵分子間力/化學(xué)鍵/物理鍵微觀組織界面處非均質(zhì)均質(zhì)/非均質(zhì)宏觀組織均質(zhì)非均質(zhì)（連續(xù)變化）功能一致

梯度化梯度功能材料與復(fù)合材料比較梯度功能材料能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足。與傳統(tǒng)復(fù)合材料相FGM有如下優(yōu)勢(shì)：

1）將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料，可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度；2）將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力；3）將FGM用作涂層和界面層可消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性；4）用FGM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(dòng)力。金屬和陶瓷構(gòu)成的材料特性(a)無梯度；(b)有梯度金屬-陶瓷構(gòu)成的熱應(yīng)力緩和梯度功能材料，對(duì)高溫側(cè)壁采用耐熱性好的陶瓷材料，低溫側(cè)壁使用導(dǎo)熱和強(qiáng)度好的金屬材料。材料從陶瓷過渡到金屬的過程中，耐熱性逐漸降低，機(jī)械強(qiáng)度逐漸升高。熱應(yīng)力在材料兩端均很小，在材料中部過渡區(qū)達(dá)到峰值(比突變界面的應(yīng)力峰值小得多)，具有緩和熱應(yīng)力的功能。梯度功能材料的應(yīng)用FGM在核能、電子、光學(xué)、化學(xué)、電磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)乃至日常生活領(lǐng)域也都有著巨大的潛在應(yīng)用前景。

FGMs的最直接應(yīng)用就是航天飛行器材料，這是一種熱障型梯度材料，應(yīng)用于高溫環(huán)境，特別適用于材料兩側(cè)溫差較大的環(huán)境,航天飛機(jī)在往返大氣層的過程中，機(jī)頭前端和機(jī)翼前沿服役溫度約2000K，冷表面的溫度低于1000K。

發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)的陶瓷熱防護(hù)瓦航天工業(yè)把直徑為1-1.5

m的高純石英纖維加壓成型，1290℃燒成后再按要求切成外形不同、大小不等的“磚塊”粘貼到航天飛機(jī)蒙皮上。這種復(fù)合材料防熱系統(tǒng)的重復(fù)使用性、可靠性等存在較大問題。日本開發(fā)了為小動(dòng)力火箭燃燒器和熱遮蔽材料用的梯度功能材料，目前已研制出能耐1700℃的ZrO2/Ni梯度功能材料，用作馬赫數(shù)大于20的并可重復(fù)使用的航天飛機(jī)機(jī)身材料。梯度功能材料也可用于普通飛機(jī)的噴氣燃燒器?？仗祜w機(jī)火箭燃燒室梯度功能材料推動(dòng)一個(gè)新的光學(xué)分支-梯度折射率光學(xué)的形成，在光學(xué)器件中有大量應(yīng)用。梯度折射率透鏡體積小、焦距短、消像差性好，組成的光學(xué)系統(tǒng)可大大減少非球面組件數(shù)，簡化光學(xué)器件結(jié)構(gòu)。梯度折射率光纖可以自聚焦，提高耦合效率。梯度折射透鏡棒透鏡光學(xué)器件工業(yè)光學(xué)器件系統(tǒng)設(shè)計(jì)或應(yīng)用的例子成像系統(tǒng)準(zhǔn)直透鏡、施密特校正鏡、攝影透鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡復(fù)印機(jī)系統(tǒng)棒透鏡系列內(nèi)窺鏡系統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡光通信系統(tǒng)自聚焦光纖、連接器、分路器、光開關(guān)、光衰減器、光波導(dǎo)器件、激光二極管光盤系統(tǒng)拾音透鏡、拾像透鏡光計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型光學(xué)元件梯度折射率材料的應(yīng)用在艦船甲板上可采用含抗熱障、抗摩擦或抗沖擊的梯度功能材料涂層，或設(shè)計(jì)連續(xù)增強(qiáng)纖維排列的逐級(jí)梯度，顯著提高其缺口阻力，抑制微觀裂紋擴(kuò)張，大幅改善甲板的抗高速應(yīng)變和沖擊的能力，對(duì)艦船的防護(hù)及搭載飛行器具有重要意義船舶工業(yè)核反應(yīng)堆內(nèi)壁溫度高達(dá)數(shù)千K，其內(nèi)壁材料采用單純雙層結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)不好，孔洞較多，熱應(yīng)力下有剝離傾向。采用金屬/陶瓷結(jié)合的梯度材料，能消除熱傳遞及熱膨脹引起的應(yīng)力，解決界面問題，可替代目前不銹鋼/陶瓷復(fù)合材料。核反應(yīng)堆能源工業(yè)羥基磷灰石(HA)陶瓷和鈦或Ti-6Al-4V合金組成的梯度功能材料可作為仿生人工關(guān)節(jié)和牙齒。HA是生物相容性優(yōu)良的生物活性陶瓷，鈦及其合金生物相容性也很好，強(qiáng)度高，人造牙的齒根外表采用耐磨性優(yōu)良的HA陶瓷，內(nèi)部采用可承受較大變形的鈦或Ti-6Al-4V合金。梯度功能材料制成的人造牙生物醫(yī)學(xué)HA含量從外表面到內(nèi)表面逐漸減少，形成HA-玻璃-鈦功能梯度復(fù)合材料。燒結(jié)后特別適于植入人體，在保證良好的生物相容性的同時(shí)提供一定的支撐強(qiáng)度，還可以顯著提高牙齒的缺口阻力，抑制微觀裂紋損傷。HA-玻璃-鈦功能梯度復(fù)合材料截面示意圖PZT壓電陶瓷廣泛用于制造超聲波振子、陶瓷濾波器等電子元件，但其在溫度穩(wěn)定性和失真振蕩方面存在一定問題。通過調(diào)整材料組成，使其梯度化，就能使壓電系數(shù)和溫度系數(shù)等得到最恰當(dāng)?shù)姆峙?，提高壓電器件的性能和壽命。壓電陶瓷器件電子材料未來發(fā)展趨勢(shì)梯度功能材料是一種設(shè)計(jì)思想新穎、性能優(yōu)良的新材料,將FGM結(jié)構(gòu)和FGM化技術(shù)與智能材料系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，將會(huì)給材料科學(xué)帶來一場新的革命,被認(rèn)為是21世紀(jì)材料科學(xué)的一個(gè)重要發(fā)展方向。發(fā)展展望存在的問題(1）梯度材料設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)等）還需要補(bǔ)充、收集、歸納、整理和完善；(2）尚需要進(jìn)一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)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基礎(chǔ)；(3)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結(jié)構(gòu)簡單，成本高,還不具有較多的實(shí)用價(jià)值；(4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論