(1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术； (2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术； (3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技 术）； (4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、 磁特性。
谢谢
• 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。
梯度化
梯度功能材料能有效地克服传统复合材料的不足。与传统复合材 料相FGM有如下优势：
1）将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料，可以大大地提高粘结强度；
2）将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力；
3）将FGM用作涂层和界面层可消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力 奇异性；
4）用FGM代替传统的均匀材料涂层，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
梯度功能材料
梯度功能材料简介
目 录
分类及与复合材料的区别 应用领域 未来的发展趋势
引言
梯度功能材料是上世纪八十年代中期开发可往返于太空与陆
地的航天飞机外部用耐热材料而提出的一个崭新的材料概念。 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,这就诞生了梯度功材料。
发展
• 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。
• 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
• 人造牙的齿根外表采用耐磨性优 良的 HA 陶瓷，内部采用可承受较 大变形的钛或Ti-6Al-4V合金。
梯度功能材料制成的人造牙
• HA含量从外表面到内表面逐渐减少，形成HA-玻璃-钛功能梯度复合材料。 • 烧结后特别适于植入人体，在保证良好的生物相容性的同时提供一定的支 撑强度，还可以显著提高牙齿的缺口阻力，抑制微观裂纹损伤。
梯度功能材料制备的耐磨轴承，外表为陶瓷，内表面为金属
• 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，
竹子
竹节中纤维素含量变化
发展
在过去的几十年里，材料科学的研究和发 展主要集中在均质材料，如金属、合金、陶瓷 聚合物等。它们的性能在宏观上均匀分布，不 随空间变化。但随着航空航天工业的发展，均 匀材料开始面临许多挑战。
发展Байду номын сангаас
• 人们发现，无论是使用传统的金属材料，还是使用传 统的陶瓷一金属(或合金)复合材料，虽然可以耐高温 冲击，但由于陶瓷和金属间存在明显的界面，界面两 侧材料(陶瓷和金属)的热膨胀系数不同，高低温冲击 时在界面处会产生很大的热应力，使材料裂缝、剥落 、失效。因为高的热应力循环问题，一般材料难以满 足这种苛刻的使用环境，所以设想两侧分别用陶瓷和 金属，在中间加入梯度过渡层，以减少和克服结合部 位的性能不匹配因素。
发展展望
存在的问题
(1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等） 还需要补充、收集、归纳、整理和完善； (2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料 物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯
度材料物理性能奠定基础；
梯度功能材料的应用
FGM在核能、电子、光学、化学、电磁学、 生物医学乃至日常生活领域也都有着巨大的潜
在应用前景。
航天工业
FGMs的最直接应用就是航天飞行器材料，这是一种热障 型梯度材料，应用于高温环境，特别适用于材料两侧温差较 大的环境,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。
火箭燃烧室
空天飞机
光学器件工业
• 梯度功能材料推动一个新的光学分 支-梯度折射率光学的形成，在光学 器件中有大量应用。 • 梯度折射率透镜体积小、焦距短、 消像差性好，组成的光学系统可大 大减少非球面组件数，简化光学器 件结构。 • 梯度折射率光纤可以自聚焦，提高 耦合效率。
梯度折射透镜
棒透镜
梯度折射率材料的应用
能源工业
• 核反应堆内壁温度高达数千K，其内壁材料采用单纯双层结构 ，热传导不好，孔洞较多，热应力下有剥离倾向。 • 采用金属/陶瓷结合的梯度材料，能消除热传递及热膨胀引起 的应力，解决界面问题，可替代目前不锈钢/陶瓷复合材料。
核反应堆
生物医学
• 羟基磷灰石 (HA) 陶瓷和钛或 Ti6Al-4V 合金组成的梯度功能材料 可作为仿生人工关节和牙齿。 • HA 是生物相容性优良的生物活性 陶瓷，钛及其合金生物相容性也 很好，强度高，
（1）根据材料的组合方式分为：金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料
梯度功能材料与复合材料比较
材料
设计思想 结合方式 微观组织
复合材料
材料优点的相互复 合 化学键/物理键 界面处非均质
梯度材料
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）
分类
（2）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 （3）根据其组成变化分为：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）； （4）根据不同的应用领域可分为：耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工 程FGM等。
• 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)。
• 迄今为止，梯度功能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。
定义
• 梯度功能材料（functionally graded materials），简称（FGM）。 广义的梯度功能材料的定义是:根据具体材料要求，选择两种或 多种具有不同性能的材料，通过连续地改变这两种或多种材料 的组成和结构使界面消失，从而得到物性和功能相应于组成和 结构的变化而缓慢变化的非均质材料，又称为功能梯度材料， 渐变功能材料等。
• 梯度功能材料 与均一材料、复合材料不同。它是一种集
两种或多种性能不同的组分 ( 如金属、陶瓷、纤维、聚合 物等 ) 于一体的新型材料，通过连续地改变这两种（或多 种）材料的组成和结构，使其界面消失导致其微观结构和 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。
HA-玻璃-钛功能梯度复合材料截面示意图
电子材料
• PZT压电陶瓷广泛用于制造超声波振子、陶瓷滤波器等电子 元件，但其在温度稳定性和失真振荡方面存在一定问题。 • 通过调整材料组成，使其梯度化，就能使压电系数和温度 系数等得到最恰当的分配，提高压电器件的性能和寿命。
压电陶瓷器件
未来发展趋势
梯度功能材料是一种设计思想新颖、性能优良的新材 存在的问题 料,将FGM结构和FGM化技术与智能材料系统有机地结合起 来，将会给材料科学带来一场新的革命,被认为是21世纪 材料科学的一个重要发展方向。
光学器件系统 成像系统 复印机系统 内窥镜系统 设计或应用的例子 准直透镜、施密特校正镜、摄影透镜、显微镜、望远镜 棒透镜系列 医用内窥镜 自聚焦光纤、连接器、分路器、光开关、光衰减器、 光波导器件、激光二极管 拾音透镜、拾像透镜 微型光学元件
光通信系统
光盘系统 光计算机系统
船舶工业
• 在舰船甲板上可采用含抗热障、抗摩擦或抗冲击的梯度功能 材料涂层，或设计连续增强纤维排列的逐级梯度，显著提高 其缺口阻力，抑制微观裂纹扩张，大幅改善甲板的抗高速应 变和冲击的能力，对舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义
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。
发现号航天飞机的陶瓷热防护
• 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。 • 梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。
2003年2月美国哥伦比亚号航天飞机失事图片
航天飞机飞行时预想的表面温度
简介
发展
定义
发展
• 梯度功能材料其实不是新事物。越王勾践剑深埋地下2400多年，
1965年出土时依旧寒光逼人，锋利无比。
• 剑的主要成分是铜、锡及少量铝、铁、镍、硫。 • 剑的各部位铜和锡的比例不一，形成良好的成分梯度。剑脊含铜较 多，韧性好，不易折断；剑刃含锡高，硬度大，非常锋利；护手花 纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀。
• 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。