梯度功能材料发展现状及趋势.pdf

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1、梯度功能材料发展现状及趋势姚阳四川省绵阳中学[摘要]综述了梯度功能材料的发展历程及各国研究应用现状，并展望了梯度功能材料的发展前景和趋势。[关键词]梯度；涂层；制备技术；研究梯度功能材料（FGM）的功能指机械、热、电、光、核、化学或生物等方面的功能。它的设计思路是：材料的成分沿厚度方向由一侧向另一侧连续变化，使材料性能也连续变化，以减小和克服结合部位性能不匹配的因素。根据该原理制备的梯度功能材料，从基体到表面的组分和性能都是呈无界面连续渐变的，涂层与基体具有最佳性能匹配，层间结合力较高，在高温或温差变化大的环

2、境下，不会产生突变的热应力，可有效防止涂层剥落。目前FGM材料研究还处于基础性研究阶段，主要集中在材料设计、制备和材料性能评价三方面。梯度功能材料的设计一般采用逆设计系统，即根据使用条件对材料的组成和结构梯度分布进行设计。梯度功能材料的制备过程需严格控制浓度、流量、温度及应力等参数，因此工艺相当复杂。在梯度功能材料制备研究方面，目前应用的主要制备技术有粉末冶金法、气相沉积法、自蔓延高温合成、热喷涂和铸造法等。由于梯度功能材料是一种全新的材料，其性能沿某一方向连续变化及功能的多样性，使现有的材料评价的基本原理、

3、测试手段对其不再适用。梯度功能材料性能评价的目的主要是为进一步优化成分设计，为成分设计数据子库提供实验数据。目前，梯度功能材料性能评价有定量化试验、热冲击试验、机械强度试验和热疲劳试验等，但评价技术水平还停留在梯度功能材料的物性值实验测定等基础性工作上。日本在梯度功能材料方面的研究起步较早，日本科技厅于1987年就批准了一个为期五年的关于FGM的研究项目——热应力缓和型梯度功能材料开发基础研究，解决了航天飞机中受2000K和1000K温差的机体和发动机耐热部件的材料问题。日本在梯度功能材料领域发展速度很快，只

4、用了20年左右的时间就迅速在世界梯度功能材料的生产和应用研究领域占据了非常重要的地位。目前，据不完全统计，日本至少有四十家左右的公司都在进行梯度功能材料的开发与研究。美国把梯度功能材料作为国防部的关键技术核心来实施，投入了大量的资金和人力，并在梯度功能材料领域取得了重大进展，处于世界领先地位。美国已经大量在航天、航空工业中应用梯度功能材料，例如美国NASA将梯度功能热障涂层用于涡轮叶片，取得具有里程碑意义的成果。实验表明，涂层表面热传导率降低50%，采用热障涂层使燃气涡轮发动机的T4温度有显著提高，降低了基体

5、金属的温度，延长了零件寿命，减少了废品率，为未来低排放CO2高效发动机的研制铺平了道路。由瑞士、乌克兰、芬兰和英国组成的欧洲联合体也在进行FGM的研究。德国以达姆施塔特工业大学的Rodel教授为核心，在全国大学和国立研究所开展了45个课题的研究工作。我国梯度功能材料研究起步时间与日本相差不多，近几年许多科研院所和大专院校都在研究和试验方面取得了一定的进展。中南大学、哈尔滨工业大学、武汉工业大学、北京科技大学等一些高等院校和科技机构已在积极开展研究，国家也已将FGM的研究与开发列入了国家高技术“863”计划，给

6、予大力资助。但我国的整体研究水平与实用化程度与美、日相比差距甚远，主要是制备工艺复杂、成本高，大多停留在试验研究阶段，实际应用甚少。由于梯度功能材料具有低热胀系数、高耐热性、在动力结构方面的高比强度、高比模量、耐磨损和抗老化等优点，倍受人们青睐，未来在汽车、航空航天、机械制造、石油等领域均可得到广泛应用。下表显示了梯度功能材料在这些领域中可望得到或已研制成功的部分实例。梯度功能材料的应用前景应用领域应用范围功能及效果耐热冲击、隔热、耐热疲劳、热应航空航天航天飞机机体、发动机燃烧室内壁力缓和人造牙、骨、关节、器

7、官、仿生工程高比强度和比棤、自行愈合、修生物医学制品复、再生机械工程发动机、工模具、轴承、制动器等耐热、耐蚀、耐磨、高的强韧性等大功率激光棒、复印机透镜、光纤接热应力缓和、重量轻、光电效应、光电工程口等梯度折射陶瓷过滤器、振荡器、超声波振动提高性能、减轻重量、减小体积、器、磁盘、永磁体、电磁体、混合集电磁工程压电、电磁、导电及绝缘梯度功能成电路、化合物半导体体IC、三元复等合电子部件等高分子膜、催化剂、反应容器、石化化学工程耐腐蚀、耐热、高强度、高寿命等分离塔、燃料电池等反应堆主壁及周边（限制器、转向耐放射性

8、、耐热应力、低Z性、电核能工程器）、电器绝缘材料、等离子体测绝缘性、透光性量、控制光栅等光纤元件、一体化传感器、声音传感提高信息传递精度、适应环境、减信息工程器、声纳、超声波诊断器轻重量纸、纤维、衣物、食品、炊具、建材民用及建筑隔热防寒、营养保健、减震降噪等等由于梯度功能材料的广阔前景，自20世纪80年代提出以来便受到了世界各国的极大关注，成为当今材料科学前沿课题，得到了快速发展，制备技术有了很大的