功能梯度材料的研究进展及应用前景_马涛

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1、化工科技，２０１２，２０（１）：７１～７５综述专论ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ功能梯度材料的研究进展及应用前景马涛，赵忠民，刘良祥，高超，黄雪刚（军械工程学院先进材料研究所，河北石家庄０５０００３）摘要：功能梯度材料（ＦＧＭ）是一种新型的功能材料，构成梯度功能材料的化学构成、微观结构和原子排列由一侧向另一侧呈连续梯度变化，从而使材料的性质和功能连续地呈梯度变化。文章综述了功能梯度材料的概念，制备工艺和国内外的研究现状，并展望了未来的应用前景。关键词：功能梯度材料；制备工艺；应用中图分类号：ＴＢ３３１文献标识码：Ａ文章编号：１００８－

2、０５１１（２０１２）０１－００７１－０５功能梯度材料（ＦＧＭ）是指材料的化学构成、１功能梯度材料的制备工艺微观结构和原子排列由一侧向另一侧呈连续梯度变化，从而使材料的性质和功能连续地呈梯度变传统的功能梯度材料的生产工艺分为建立非化。早在１９７２年，Ｂｅｖｅｒ、Ｄｕｗｅｚ和Ｓｈｅｎ等人就均匀化的空间结构（梯度工艺）和将此结构转化为发现了具有渐进结构的功能梯度材料，并论述了固体材料（致密化工艺）２个步骤。梯度工艺可分［１］这种材料在工程应用中的前景。１９８７年，日本为与组成要素相关的制备技术、与均匀化相关的科技厅提出了“关于缓和热应力的功能梯度材料制备技术和与分离相关的制备技术，

3、随后通过烘［２］开发基础技术的研究”计划，正式提出了功能梯干，烧结以及致密化工艺等固化工艺生成ＦＧＭ。度材料的概念，并很快引起了世界各国极大的关如粉末冶金法、注浆成型法、离心成型法等。随着注。美国的ＮＡＳＰ计划、德国的Ｓａｎｇｅｒ计划、英科研人员对功能梯度材料的研究不断深入，一些国的ＨＯＴＯＬ计划和俄罗斯的图－２０００计划都把新型的制备工艺不断涌现。如电沉积法、气相沉功能梯度材料及其相关制备技术作为重点关键技淀法、激光熔敷法、等离子喷涂法等。术来研究开发。作为ＦＧＭ概念发源地的日本更１．１粉末冶金法是在功能梯度材料领域投入了大量的人力物力，粉末冶金技术涉及粉末生产工艺，粉末处

4、理相继设立了“热应力缓和材料的开发基础技术的工艺，成型工艺以及烧结或压力辅助热成型工艺。研究”、“具有功能梯度结构的能量转换材料的研首先将原料粉末按预先设计的成分变化规律以梯究”和“梯度材料物理化学研究”等一系列研究项度分布方式层积排列，再通过成型工艺加压压制目。从材料物性数据库、梯度材料的组元和结构成梯度预制坯，最后通过一些致密化工艺生成功设计、梯度材料制备和结构控制、梯度材料性能评能梯度材料。粉末冶金法具有设备简单，可靠性价等多个方面展开了大量的研究，并在热应力缓高，生产工艺灵活多样等特点。该工艺包括粉末和型ＦＧＭ和光电转换、热电变转换梯度材料上堆积、湿粉喷涂法、注浆成型

5、法、离心成型等技术。取得了举世瞩目的成果。我国政府已把功能梯度［４］１．１．１粉末堆积法［３］材料的研究列入国家“８６３”计划。功能梯度材采用粉末铺层技术将原料粉末按所需成分在料已成为材料科学的前沿课题。压膜内逐层填充、沉淀形成梯度。工艺简单，易于生产，但功能梯度材料的组分分布不连续，呈阶梯式变化，积层数目受到限制（实验条件下可达到收稿日期：２０１１－１０－１７作者简介：马涛（１９８７－），男，河北秦皇岛人，军械工程１０层），积层厚度通常小于１ｍｍ，积层面积小于学院研究生，研究方向为陶瓷基复合材料。１００ｃｍ２，且生产效率较低，只适用于实验条件下·７２·化工科技第２０卷对功能

6、梯度材料的系统研究上。大学张幸红等曾报道利用热等静压辅助燃烧合成１．１．２湿粉喷涂法技术制备出了致密性优良的ＴｉＣ／Ｎｉ系ＦＧＭ。此工艺将原料粉末中加入分散剂搅拌成悬浮１．３离心铸造法［９］液，然后用压缩空气喷射系统将粉末悬浮液喷射离心铸造工艺是利用离心力场中强化相质到基体上。引入混料系统用于控制粉末悬浮液的点与液态金属熔体之间的密度差引起的质点偏析流速，通过控制Ｘ－Ｙ平台的移动方式可以在基体现象，制备出强化相成梯度分布的功能材料。通上得到成分连续变化的沉淀层。此工艺的优点在过改变转速、颗粒大小、温度和密度来控制成分的于可以得到成分连续变化的粉末积层，控制精度梯度分布。在离心

7、成型过程中，由于其尺寸和密高，粉末积层的最小厚度小于５０μｍ。德国利用此度的不同，颗粒在流体中的沉降速度是不同的，所工艺制备出了空隙尺寸呈梯度变化的微孔过滤器。以在坯体的某些部分将发生优先沉淀，即颗粒的１．１．３注浆成型法分布具有选择性。因此离心铸造法在功能梯度材该方法是将粉末分散在水或有机液体中制成料的制备中具有先天的潜在优势。除此之外，此相对稳定的悬浮液，将此悬浮液注入一定形状的有工艺设备简单，生产效率高，成本低廉，可使用常空膜腔中，通过模具的吸水作用使悬浮液固化。经规原材料，合成的功能梯度材料稳定