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1、功能梯度材料的研究进展本文由tanxiaoxia0201贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。第27卷第5期Vol.27No.5西南师范大学学报(自然科学版)JournalofSouthwestChinaNormalUniversity(NaturalScience)2002年10月Oct.2002文章编号:10005471(2002)05078806功能梯度材料的研究进展郑慧雯,茹克也木#沙吾提,章娴君西南师范大学化学化工学院,重庆400715X摘要:功能梯度材料是一种由不同性能的材料在组成和结构上沿厚度方向呈连
2、续变化的新型复合材料.着重阐述了此种材料在设计、制备和性能评价等方面的研究进展以及功能梯度材料在国内外的研究成果、应用和发展前景.关键词:功能梯度材料;材料设计;材料制备;特性评价中图分类号:O64文献标识码:A材料是现代科学技术和社会发展的支柱[1].现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展.对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和文明进步速度的标志.因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪六大高科技领域的基石[2].所谓功能梯度材料(FunctionallyGra
3、dientMaterials简称FGM)是以计算机辅助材料设计为基础,采用先进的材料复合技术,使构成材料的要素(组成、结构)沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化,从而使材料的性质和功能也呈梯度变化的新型材料[3].该材料具有较高的机械强度、抗热冲击性能、耐高温性能(达2000e以上)等特点.该材料的结构和特性如图1所示.根据不同的梯度性质变化,功能梯度材料可分为密度功能梯度材料、成分功能梯度材料、光学功能梯度材料和精细功能梯度材料等.根据不同的应用领域,功能梯度材料可分为耐热功能梯度材料、生物功能梯度材料、化学工程功能梯度材料和电子工程功能[4]梯度材料等.功能梯度
4、材料是21世纪最有发展前景的新型材料之一.功能梯度材料一出现就引起了世界各国的广泛兴趣和关注.日本已经将其列入日本科学厅资助的重点研究开发项目,美国在1993年国家标准技术研究所开始开发超高温耐热氧化保护涂层为目标的大型图1功能梯度材料的结构和特性功能梯度材料研究项目[5].法、德、瑞士、俄等国的Fig11StructureandCharacteristicofFGM研究机构纷纷开展此项工作.我国武汉工业大学袁润章教授最早提出了功能梯度材料的概念,并在金属)陶瓷复合刀具的研究中开始了这方面的工作[5].华中理工大学、清华大学、中南工业大学、上海硅酸盐研究所、北京科
5、技大学、哈尔滨工业大学、天津大学、沈阳金属所和西北工业大学等单位也相继了这方面的工作,并且在材料设计、工艺合成和评估等方面做了大量的工作,取得了可喜的成果.功能梯度材料的用途已由原来的宇航工业,扩大到核能源、电子、光学生物医学工程等领域,其组成也由金属)陶瓷发展成为金属)合金、非金属)非金属、非金属)陶瓷等多种组合,种类繁多,应用前景十分广阔.X收稿日期:20011230作者简介:郑慧雯(1978-),女,云南保山人,硕士研究生,主要从事金属有机化学研究.基金项目:教育部重点科学技术资助项目.第5期郑慧雯,等:功能梯度材料的研究进展7891功能梯度材料的研究进展功
6、能梯度材料是由日本学者平井敏雄、新野正之等人于1984年首次提出,并于1987年开始进行这方[6]面的研究.他们的构想与航天技术的发展密切相关,目的在于研究开发出表面使用温度达1800e,表面温差约为1000e的新型超耐热材料.例如航天飞机发动机燃烧室壁燃烧气体一侧温度在2000e以上,而另一侧直接接触致冷材料液氢,其温差大于1000e,机体材料内部将产生巨大的热应力,因而对材料提出十分苛刻的要求.分散均一耐热材料不能满足此要求.目前广泛使用的隔热性耐热材料由于存在明显的相界面,两相的膨胀系数很大,加热至高温将产生很大的热应力,使涂层遭到破坏甚至引起重大事故,所以
7、此种材料也不能使用于上述环境.功能梯度材料正是在此种背景下提出的,其成分和结构呈连续的梯度变化,从而消除了金属、陶瓷复合材料之间的界面,这样材料的力学、热学和化学性能等将从材料的一侧向另一侧呈连续地变化,从而达到缓和热应力和耐热隔热的目的.111功能梯度材料的设计原理的研究功能梯度材料的设计与众不同,一般采用逆设计系统,既根据实际使用条件进行FGM组成和结构梯度分布的设计[7].以热应力缓和FGM为例,根据使用的热环境和构件形状,确定热应力学边界条件;以知识库为基础选择可供合成的FGM材料组合体系和制备方法;然后选择成分呈梯度变化的分布函数,按照材料的复合规律、微
8、观力学理论
