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1、论梯度功能材料的发展前景与方向摘 要:本文介绍了梯度功能材料(functionallygradedmaterials简写为FGM)的基本概念、分类、性质和制备方法的基本原理,综述了国内外FGM的研究和应用现状,提出了FGM在应用方面尚需解决的一些问题，并展望了梯度功能材料的发展前景与方向。关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresent
2、applicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.Key2,其空气入口的前端热通量达5M)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。2FGM的特性和分类2
3、.1FGM的特殊性能由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势: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。2.2FGM的分类根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶
4、瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的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[7]。3FGM的应用FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。功 能应 用 领 域
5、材 料 组 合缓和热应力功能及结合功能航天飞机的超耐热材料陶瓷引擎耐磨耗损性机械部件耐热性机械部件耐蚀性机械部件加工工具运动用具:建材陶瓷 金属陶瓷 金属塑料 金属异种金属异种陶瓷金刚石 金属碳纤维 金属 塑料核功能原子炉构造材料核融合炉内壁材料放射性遮避材料轻元素 高强度材料耐热材料 遮避材料耐热材料 遮避材料生物相溶性及医学功能人工牙齿牙根人工骨人工关节人工内脏器官:人工血管补助感觉器官生命科学磷灰石 氧化铝磷灰石 金属磷灰石 塑料异种塑料硅芯片 塑料电磁功能电磁功能陶瓷过滤器超声波振动子IC磁盘磁头电磁铁长寿命加热器超导材料电磁屏避材料高密度封装基板压电陶瓷 塑料压电陶瓷 塑料硅 化
6、合物半导体多层磁性薄膜金属 铁磁体金属 铁磁体金属 陶瓷金属 超导陶瓷塑料 导电性材料陶瓷 陶瓷光学功能防反射膜光纤;透镜;波选择器多色发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导体稀土类元素 玻璃能源转化功能MHD发电电极;池内壁热电变换发电燃料电池地热发电太阳电池陶瓷 高熔点金属金属 陶瓷金属 硅化物陶瓷 固体电解质金属 陶瓷电池硅、锗及其化合物4FGM的研究FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。4.1 FGM设计FGM设计是一个逆向设计过程[7]。首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观
7、结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。FGM设计主要构成要素有三:1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的
