梯度功能材料讲稿

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1、梯度功能材料一、引言许多结构件会遇到各种服役条件，因此，要求材料的性能应随构件中的位置而不同。例如，民用或军用刀具都只需其刃部坚硬，其它部位需要具有高强度和韧性；一个齿轮轮体必须有好的韧性，而其表面则必须坚硬和耐磨；涡轮叶片的主体必须高强度、高韧性和抗蠕变，而它的外表面必须耐热和抗氧化。诸如此类，可以发现现在应用的许多材料都是属于这个范畴。众所周知，构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集中，无论该应力是内部的还是外加的。但人们同样知道，如果从一种材料过渡到另一种材料是逐步进行的，这些应力集中就会大

2、大地降低。为了减少材料的应力集中，提高材料的性能，人们发展了一种新型的功能梯度材料(FunctionailyGradientMaterials，简称FGM)。虽然FGM产生的时间不长，但很快引起世界各国科学家的极大兴趣和关注。日本、美国、德国、俄罗斯、英国、法国、瑞士等许多国家相继开展FGM的研究。其应用已扩展到宇航．核能源、电工材料、光学工程、化学工业、生物医学工程等各个领域中。二、梯度功能材料的发展梯度功能材料(FGM)是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚合物等)一体的新型材料，其结构、物性参数和物理、化学

3、、生物等单一或综合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能。梯度功能材料其实早就出现在自然界中。神奇的大自然早制造出多种梯度材料。例如，竹子是一种典型的梯度功能材料，人类和动物身体中的骨骼也是一种梯度材料，其特点是结构中的最强单元承受最高的应力。但是，在生命体中的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大的差异。有生命的“FGMs”也是“有智能的”，它们能够感受所处环境的变化(包括局部的应力集中)，产生相应的结构修改，而人造梯度材料至少在目前还缺乏这种功能。人造梯度功能材料并不是新的事物，只不过人们没有意识到而已

4、。人类制造的钢制器件实质就是一种功能梯度材料。1900年，美国的伍德用明胶作成了光折射率沿径向连续变化的圆柱棒，称之为梯度折射材料。由于制作工艺没有解决，未能得到实际应用，没有引起人们的注意。1969年，日本板玻璃公司的北野等人用离子交换工艺制成玻璃梯度折射棒材和光纤，达到了实用水平，梯度折射率材料的研究才迅速发展起来，研究的国家也从美国和日本扩展到二十几个国家。1972年，Bever和Duwez提出了功能梯度这个概念。功能梯度材料作为一个规范化正式概念于1984由日本国力宇航实验室提出。由于航天飞机中，燃烧室内外

5、表面的温差达到1000K以上，普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。一系列政府报告论述了日本在以太空飞机为重点的航天研究中所预计的材料需求，结论是鉴于对高温结构件的许多严格要求，需要在结构中仔细地引入成分和微观结构梯度，不但能最全面地利用已有材料去生产所需要的构件，还能避免由于外加应力或温度变化而在不同材料的锐利界面上引起的应力和(或)应变集中。1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出使金属和陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连续性变化的热防护梯度功能材料的概念。同年，日本科技厅制定了有关FGMs的一项

6、庞大计划，主要研究一边处于冷却而另一边处于炙热环境下的部件的特殊要求。81990年10月，在日本召开了第一届梯度功能材料国际研讨会。除日本外，从80年代末到90年代初，在德国、瑞士、美国、中国和俄罗斯等—些国家，功能梯度材料的研究迅速成为材料研究的活跃项目。1993年，美国国家标准技术研究所开始了以开发超高温耐氧化保护涂层为目标的大型梯度功能材料研究项目。1995年在德国发起一项六年国家协调计划，涉及大量实验室参与，主要研究功能梯度材料的制备。近几年来，出现了特意引入梯度的其它许多目标应用，如金属与陶瓷的连接、人体

7、器官移植、爆发内燃机构件、磁性装置、切割工具、建筑中的防火物、抗接触损伤的聚合物复合材料和火箭推力燃烧室的衬里等。最近，将预先存在的不同相进行人为组合而成的复合材料的出现，使得有可能通过改变复合两相的配制．在复合材料内部形成精细的构造梯度。所以，功能梯度材料已经发展成为当前结构材料和功能材料研究领域中的重要主题之一。三、梯度功能材料的原理及特点梯度功能材料由几种性质不同的材料组成，但与混杂材料、复合材料之间有明显区别，如下表所示：梯度功能材料与混杂材料及复合材料的比较材料混杂材料复合材料梯度材料设计思想分子、原子级

8、水平合金化材料优点的相互复合特殊功能为目标结合方式分子间力化学键/物理键分子间力/化学键/物理键微观组织均质/非均质非均质均质/非均质宏观组织均质均质均质功能一致一致梯度化金属和陶瓷构成的材料特性(a)无梯度；(b)有梯度梯度功能材料主要通过连续控制材料的微观要素(包括组成、结构和空隙在内的形态与结合方式等)，使界面的成分和组织呈连续性的变化，其主要特征有：