梯度复合材料

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1、课程论文学院：化学与材料科学学院专业：材料化学梯度复合材料摘要：梯度复合材料，是一种结构组成沿厚度方向阶梯性变化的材料，导致材料的不同部位具有不同的使用性能，以便于更加适合材料的工作环境，是一种新型的复合材料。梯度复合材料结构和性能的可控性使其广泛应用于航空航天、计算机线路板、装甲以及光学仪器等领域，因此对梯度复合材料的研究日益重耍。本文将详细介绍梯度复合材料的现状、性能、制备及其应用与发展等方面。关键词：梯度复合材料；性能可变性；制备；应用正文：1、梯度复合材料的研究背景1・1梯度复合材料的由來早在大自然中，就出现了很多典型的梯度复合材料，比如岩石、竹子和人类与动

2、物的骨骼，只不过相对于这些植物，人类的骨骼是i种“智能”梯度复合材料，他们能根据环境的变化产生相应的结构性能变化，而竹子或人造梯度复合材料是不同的部位冇不同的结构,能承受的应力不同，性能也不尽相同，缺乏智能性。上个世纪，随着航空航天的发展，人们对材料的要求也越来越高，而材料的隔热成为了航空航天材料最人的问题。特殊的服役坏境使一般的材料面临着高温和较大的温度梯度的挑战。针对这个问题，日本科学家新野正等人在1987年首次提出“功能梯度复合材料”的概念，即functionallygradedmaterials简称FGM。1.2梯度复合材料的介绍梯度复合材料的定义为：以计算

3、机辅助设计为基础，采用先进的材料制备技术，使材料的组成、结构沿厚度方向呈梯度变化，从而使材料的性能也呈梯度变化的-•种材料。与普通材料不同，它是选用两种（或多种）性能不同的材料，通过连续地改变这两种（或多种）材料的组成和结构，來使材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能复合材料。正因为它的性能可控性、可设计性和可变性，使得梯度复合材料具有巨大的应用前景。下图即为材料的示意图，他叮以连接两种不相容的材料，提高粘结强度，消除不同材料Z间的残余应力和裂纹驱动力，消除不同材料的交叉点，并使得功能和性能因为内部位置不同而不同，从而使性能实现梯度变化。Bin

4、AMixofARfidBAinB材料的突岀特性有：材料的结构和性能等可连续变化，同一材料的不同部位具冇不同的性能，组分可完美结合，在极端环境下可适应环境变化而不发生破坏。为突出其特点，下图将对梯度复合材料与混合材料进行详细比较。比较项B设计思想组织结构组合方式微观和宏观组织功能梯度材料旨在服务于特殊功能10nm一10mm分子间力物理键化学键微观：均质或非均质宏观：非均质梯度化混合材料功能结合均可物理结合或各种化学键结合微观：均质或IF均质宏观：非均质一致1.3梯度复合材料的分类及现状根据不同的分类标准有不同的分类。根据材料的组合方式，分为金屈/陶瓷，陶瓷/陶瓷,陶瓷

5、/塑料，金属/金属，金属/非金属，塑料/金属，塑料/非金属等多种组合方式的材料；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）；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；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM、生物FGM、化学工程FGM、电子工程FGM等。口前使用最广泛的梯度功能复合材料为Ti/A12O3,它采用一定梯度复合技术制备的，使材料从纯金属Ti端连续过渡到纯陶瓷AI2O3端，这种梯度复合技

6、术让材料具备了金属Ti的优良性能，又具冇A12O3陶瓷的良好的耐热性、高强度及高温抗氧化性。并且复合时使中间成分连续变化，使整体材料表现岀良好的热应力缓和特性，使之能在超高温、大温差、高速热流冲击等苛刻环境条件下使用。各种优化使得梯度复合材料在制作航天飞机的机身、燃烧室内壁等耐高温部件等方面具有不可比拟的优势山。2、梯度复合材料的制备FT前的制备方法主要有离心铸造法、粉末冶金法（此法又包含直接填充法、流延法和离心积层法）、离子喷涂法、气相沉积法、自蔓延高温燃烧法、激光熔覆法、无压渗透法和电沉积法⑵。离心铸造法，制造成木低冃可以犬批量生产，能制造出连续梯度变化的功能梯

7、度复合材料，适用于制备大块组分的材料，因此这种制备方法使用广泛。它是将两种密度不同的固液两相混合，然后再离心场的作用下分离。固相按一定梯度沉积于试样外侧，液相凝固后即可形成梯度复合材料。但一般这种方法制备的材料浸润性较差，仅适用于制备圆筒类铸件并且两种组分需耍有交大密度差。粉末冶金法，是将原料粉末按不同比例混合，混合好后的材料以一定比例层积排列再压制烧结。直接填充法，把原料粉末按设计好的比例混合，然后根据所需梯度直接在压模内逐层填充，高温烧结制成梯度复合材料，此法流程简便，易于生产，但是不能呈现连续梯度性。WangRuigang等人把梯度复合材料的概念引入到可加