梯度功能材料
Functionally Gradient Materials
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梯度的概念
•梯度流速
•梯度温度
•梯度浓度
•梯度体积
•梯度体积
•梯度体积
•梯度性格
•梯度经济
梯度功能材料
主要内容
梯度功能材料的发展
梯度功能材料的结构特征及其分类
梯度功能材料的原理及特点
梯度功能材料的设计 梯度功能材料的制备 梯度功能材料的应用
具有缓和热应力的功能。
金属和陶瓷构成的材料特性 (a)无梯度；(b)有梯度
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比较发现：
• 成分突变会导致应力集中
• 成分逐步过渡，应力集中 大大降低，有梯度时集中 区压应力仅为无梯度时的 1/3-1/4
• 无梯度样品冷却时开裂， 有梯度样品有近400MPa 不锈钢－陶瓷(Si3N4)界面上应力分布 结合强度
PVD镀膜器件
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• 等离子喷涂适合形状复杂表面的梯度涂覆加工。
• 在基板上喷涂单层 NiCr 合金粉末；再用 10%ZrO2 粉和 90 ％ NiCr 合金粉末喷涂；在配料中逐步减少 合金粉末；最后用100％ZrO2粉末喷涂，此技术已 用于飞机喷气发动机和相关材料的表面改性，材 料表面能承受 1100-1300℃ 的高温，内外侧温差达 到500-600℃。
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• 1900年，美国用明胶作成光 折射率沿径向连续变化的圆 柱棒，称为梯度折射材料。 由于制作工艺没有解决，未 能得到实际应用。 • 1969年，日本板玻璃公司的 北野等人制成梯度折射棒材 和光纤，达到了实用水平， 梯度折射率材料的研究迅速 发展起来。
中国剑
梯度折射玻璃
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航天飞机飞行时预想的表面温度
• 日本采用等离子喷涂技术喷涂 ZrO2/Y2O 陶瓷粉末 和Ni-Cr-Al-Y合金粉末，形成梯度涂层，明显提高 基体金属的隔热性和耐热疲劳性。
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•过程： 将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化充填，加压压实 ，从成形体的一端点火燃烧，反应自行向另一端传播，利 用化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材料烧结和 合成。 •应用： •1）电磁加压＋自蔓延：TiB2／Cu； •2）自蔓延＋热等静压相结合：TiC／TiC+10％Ni/ TiC+20％Ni／TiC+30％Ni； 3）爆炸压实生坯＋自蔓延：A12O3／Ti密度从82％到94％
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• 燃烧合成 FGM 中，整体的宏观梯度通常被保留在 样品中，局部发现在 FGM 内部存在有限的物质传 输，这种传输使初始存在于反应物粉末压块中的 较陡峭的成分分布在反应后被较平缓的梯度所代 替。 • 日本采用连续成型的电磁加压自蔓延技术合成 TiB2/Cu、TiC/Ni等梯度功能材料。
• 我国采用爆炸压实自蔓延高温合成技术制备了 Al2O3/Ti系梯度功能材料，组织结构呈梯度变化， 理论密度提高到94%，显微硬度Hv达到461.8。
梯度功能材料制备的耐磨轴承，外表为陶瓷， 内表面为金属
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梯度功能材料的发展
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• 梯度功能材料早就出现在自然界中。
• 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。 • 生物的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大差异。 有生命的FGMs是“有智能的”，它们能感受所处环境 的变化(包括局部应力集中)，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。
• 功能梯度材料作为一个规范化正式概念，于 1984 年 由日本国立宇航实验室提出。
• 航天飞机中，燃烧室内外表面温差达到1000K以上， 普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。
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• 1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出 使金属 / 陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连续变 化的热防护梯度功能材料的概念。 • 1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。
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颗粒梯度排列法
• 将金属、陶瓷等粉末按一定 梯度分布直接填充到模具中 加压烧结；也可将不同组分 粉末压成薄膜/片后进行叠 层烧结。
• 控制各组分混合比，使粉坯 梯度层间任一组分浓度变化 较小，梯度层间接合紧密。 • 调节粉末粒度分布和烧结工 艺，可得具有良好热应力缓 和的梯度功能材料。
通过粉末混合烧结形成的 FGM结构示意图
发现号航天飞机的陶瓷热防护 瓦
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• 2003 年 2 月，“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因 就是航天飞机的左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落 的泡沫绝缘材料的撞击，造成机体表面隔热保护层 出现大面积松动和破损，形成可让“热气进入的空 洞”，返航途中因超高温空气的进入而彻底解体。
起飞时燃料箱上的脱落物击中机翼
特殊功能为目标
分子间力/化学键/物 理键 均质/非均质
宏观组织
功能
均质
一致
非均质（连续变化）
梯度化
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• 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)，使界面的成分和组织呈连续 性变化，主要特征有： 材料的组分和结构呈连续性梯度变化；
材料内部没有明显的界面； 材料的性质也呈连续性梯度变化。
•ZrO2-CrNi合金FGM横 截面，白色的陶瓷粉末与 黑色的合金粉末含量呈连 续性梯度变化，没有明显 的界面，
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• 金属 -陶瓷构成的热应力缓和梯度功能材料，对高 温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，低温侧壁使用 导热和强度好的金属材料。
材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，机 械强度逐渐升高。 热应力在材料两端均很小，在材料中部过渡区达到峰值 (比突变界面的应力峰值小得多)，
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• 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 构件位置不同而不同。
刀具只需刃部坚硬，其它部位需 要具有高强度和韧性；
齿轮轮体必须有好的韧性，表面 必须坚硬和耐磨； 涡轮叶片的主体必须具有高强度 、高韧性和抗蠕变，而它的外表 面必须耐热和抗氧化。
中国刀
• 诸如此类，工程应用的许多材 料都属于这个范畴。
热防护梯度
梯度复合管
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• 1993年，美国国家标准技术研究所开始以开发超高温耐 氧化保护涂层为目标的大型梯度功能材料研究。 • 1995年德国发起一项六年国家协调计划，主要研究功能 梯度材料的制备。 • 最近，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(将预先存在的不同相进行人为组合)。 • 功能梯度材料已发展为当前结构材料和功能材料研究领 域中的重要主题之一。
飞机的左翼上有两条清晰的裂纹
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• 按照基体 / 陶瓷比率设计具有梯度的金属基 / 碳基 复合结构可解决上述问题。
设计梯度热防护功能材料
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• 日本开发了为小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的 梯 度 功 能 材 料 ， 目 前 已 研 制 出 能 耐 1700℃ 的 ZrO2/Ni 梯度功能材料，用作马赫数大于 20 的并可 重复使用的航天飞机机身材料。
涡轮叶片
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• 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。如果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大地降低。 • 为减少材料的应力集中，提高材料性能，人们发展了 新型的功能梯度材料(简称FGM) 。
• 日本、美国、德国、俄罗斯、英国、法国、瑞士等许 多国家都开展FGM的研究，其应用已扩展到宇航、能 源、交通、光学、化学、生物医学工程等各领域。
摩擦温升后，梯度材料变化较 小，普通材料则变成兰紫色
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梯度功能材料的原理及特点
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• 梯度功能材料由几种性质不同的材料组成，但与 复合材料之间有明显区别。
梯度功能材料与复合材料比较
材料 复合材料 梯度材料
设计思想
结合方式 微观组织
材料优点的相互 复合
化学键/物理键 界面处非均质
航天工业
化工工业
交通工业
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• 功能梯度材料的概念最早是由日 本科学家平井敏雄于 1984 年首 先提出的，目的是要解决如航空 、航天等高技术领域出现的苛刻 条件下使用的材料问题。
• 如航天飞机推进系统中超音速燃
烧冲压式发动机, 其燃烧室壁一侧接触高达2000℃
的燃烧气体，承受超高温，而另一侧则接触 -200℃
的液氢燃料，承受超低温，而产生的极大热应力。
一般材料显然满足不了这一要求。
它是指一类组成结构和性能在材料厚度或长度方 向连续或准连续变化的非均质复合材料。
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• 金属 -陶瓷构成的功能梯度材料可有效解决上述极大热 应力问题。高温侧用耐热性好的陶瓷材料，低温侧用导 热和强度好的金属材料。
•耐热性
•热传导率 •热膨胀系数
•陶瓷 •陶瓷 •陶瓷 •金属 •陶瓷 •金属
•均匀材料
•有界面的复合材料
•FGM
• 材料从陶瓷到金属，其耐热 性逐渐降低，强度缓慢升高
.热应力在材料两端很小，
在材料中部达到峰值，因而
•陶瓷 •金属
有效地缓和了热应力。
耐 超 热 性 能
• 力 学 性 能 •
•
热应力缓和作用
• 梯度功能材料是一种集各种组分 (如金属、陶瓷、 纤维、聚合物等 )于一体的新型材料，其微观结构 和物理、化学、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。
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航天工业
• 航天飞机在往返大气层的过程中，机头前端和机翼 前沿服役温度约2000K，冷表面的温度低于1000K。
• 把 直 径 为 1~1.5m 的 高 纯 石 英 纤 维 加 压 成 型 ， 1290℃ 烧成后再按要求切成外形不同、大小不等的 “砖块”，粘贴到航天飞机蒙皮上。这种复合材料 防热系统的重复使用性、可靠性等存在较大问题。