题目：梯度功能材料
报告人: 朱景川教授
时间：2006年5月13日 8：30-11：30
近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展。

究其原因,一方面是因为各个学科的交叉渗透,引入了新理论方法及实验技术;另一方面是因为实际应用的迫切需要而对材料提出了新的要求。

功能梯度材料(functionally gradient material ,FGM) 即是这方面一个很好的事例。

它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。

下面综述了这方面的研究现状,同时对其将来可能的发展趋势进行了讨论。

梯度功能材料是一种新型的功能复合材料它的两侧由不同性能的材料组成中间部分的组成和结构连续地呈梯度变化从而使材料的性质和功能也沿厚度方向呈梯度变化克服了不同材料结合的性能不匹配因素使两种材料的优势都得到充分发挥。

1 功能梯度材料的设计
复合材料已在工程中得到广泛应用,然而传统的复合材料,由于由两种或以上的不同均匀材料结合在一起而存在明显的界面,因此材料的物性参数如弹性模量、热膨胀系数在该处不匹配,从而使得界面容易成为失效的源泉,界面设计也就成为复合材料设计的重要课题。

另一方面随着现代科学技术的进步,超音速航天飞机、超音速民用交通、现代航天飞行器以及下一代电力系统装置都对材料的设计与应用提出了新的要求。

例如航天飞机的发展就面临许多技术问题,特别在先进隔热材料方面,通常使用的陶瓷复合材料弥散强化陶瓷,已经无法承受由于航天飞行环境中极端的温度梯度引起的高热应力。

FGM 的设计一般采用逆设计系统即根据使用条件和性能要求对材料的组成和结构的梯度分布进行设计。

以热应力缓和型耐热材料为例根据指定的材料结构、形状及受热环境得出热力学边界条件从已有材料合成及性能的知识库中选择有可能合成的材料组合体系及制备方法再用热弹性理论及计算数学方法对选定材料体系组成的梯度分布函数进行温度分布模拟和热应力模拟寻求达到最大功能的组成分布指数。

为了解决这类问题,日本材料学家新野正之(MasyuhiNINO) 、平井敏雄( ToshioHIRA)和渡边龙三(RyuzoWATANBE)等在20世纪80年代中后期提出了功能梯度材料的概念。

功能梯度材料的研究开发最早始于1987年日本科学技术厅的一项“关于开发缓和热应力的功能梯度材料的基础技术研究”计划。

所谓功能梯度材料是根据使用要求,选择使用两种不同性能的材料,采用先进的材料复合技术,使中间的组成和结构连续呈梯度变化,内部不存在明显的界面,从而使材料的性质和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。

也就是材料组分在一定的空间方向上连续变化的一种复合材料。

由于功能梯度材料的这种特点,因此它能有效地克服传统复合材料的不足。

2 FGM的应用现状
虽然FGM的开发初衷是针对航空航天领域应用的超耐热材料但由于FGM具有成分、晶粒度等要素连续变化的特点. 它可以将两种完全不同的性能融于一体. 使材料的综合性能得以明显提高.在机械、光电、核能、生物工程领域的应用显示出巨大的潜力。

2.1 热应力缓和型梯度功能材料主要应用其机械性能的梯度变化在航天航空飞机、卫星、运载火箭及核能领域中的超高温环境使用FGM后可大幅度提高热效率。

2.2 光、电、磁梯度功能材料目前FGM压电材料、异质结半导体材料及高温超导材料都有效地解决两者易分离的固有缺陷减少了界面态密度大大提高电磁、热电及光电的转化效率有的可提高宽波长区域的发光效率。

在光学领域FGM典型的例子梯度折射率光导纤维可以解决光的定向远距离输送问题从而提高了电信电视等信息领域的传播效率。

2.3 在生物医学领域以FGM制造的人造器官如人造牙齿、骨骸、关节等具有极好的生物相容性和高的柔韧性、可靠性和高的功能性。

如Ti金属磷灰石梯度功能材料可大大提高人造齿和人造骨的仿真水平可以把具有生物活性的羟基磷灰石与具有高度生物稳定性、耐腐蚀及高强度的钛金属有机结合制造出强度高、韧性好、耐腐蚀及具有生物活性的人工齿骨。

2.4 在机械工程领域梯度涂层材料可以有效地松弛涂层与基体界面处产生的热应力. 防止微裂纹的产生.消除剥落现象.延长工件的使用寿命。

3 梯度功能材料的制备
制备FGM的工艺方法很多’一般来讲可以分为气相、液相和固相三大类。

3.1 气相沉积法: 包括化学气相沉积(CVD)法和物理气相沉积(PVD)法等主要通过控制弥散相的浓度在厚度方向上实现组分的梯度化合成的材料组织致密但只适用于薄膜通常厚度小于1mmCVD法是通过控制反应气体的浓度或控制CVD条件在基板上获得连续渐变膜的方法能按设计要求精确地控制材料的组成、结构和形态并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化无须烧结即可制备出致密、性能优异的FGM。

PVD法是通过物理加热方法使源物质加热蒸发而在基板上成膜的制备方法目前主要使用的材料是Ti-TiC,Cr-CrC/CrC,CrN等。

3.2 自蔓延高温合成法: (简称SHS法),将构成化合物的元素粉末和金属粉末按梯度组成填充静压成型放入反应容器在一端点火燃烧由于反应向前传播最终即可形成由反应产物与金属构成的FGMSHS法制备FGM反应速度快、能耗少、设备简单、适用范围广但是合成的材料空隙率较大机械强度较低。

3.3 等离子喷涂(PS)法: 以气体作载体将喷涂材料粉末吹入等离子射流中使之成熔融态并以极高的速度喷射至基材表面形成扁平的层状结构涂层通过控制喷涂材料的成分可以合成出沿截面具有成分渐变的FGM材料。

此外通过调整喷涂位置、粉末粒度、喷涂压力及喷射速度等参量来调节喷涂量可以在几何形态复杂的器件表面制备大面积的热障梯度涂层但是成本较高。

3.4 粉末冶金(PM)法: 是制备FGM最广泛的方法。

这种方法以各种金属、非金属及化合物粉末为原料采用叠层法、喷射积层法、粉浆浇注法、涂挂法等工艺成形后进行烧结后处理通过控制最终可获得沿截面具有连续成分或晶粒度梯度的材
料。

3.5 电沉积法: 是将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中通过注入另一相的悬浮液使之混合并控制注入速率而改变组成比在电场作用下电荷的悬浮颗粒就在电极上沉积下来最后得到FGM膜或材料。

该法工艺设备简单、操作方便、成型压力和温度低精度易控制生产成本低廉等显著优点。

3.6 激光熔覆法(LSC):是随着激光技术的发展而产生的一种新兴的材料制备方法。

其原理是将混合粉在基体表面形成熔池并在此基础上通过改变粉末成分向熔池中不断喷粉以获得梯度功能涂层的粉末通过喷嘴喷至基体表面然后通过改变激光功率、光斑尺寸和扫描速度加热粉体层。

3.7 离心铸造法: 制备梯度功能材料是1990年由日本学者福井泰好首先提出的新型制备工艺,这种方法积极利用离心力场中强化相质点与液态金属熔体之间的密度差异引起的质点偏析现象制备出强化相呈梯度分布的功能材料。

4 梯度功能材料
1) ZrO
2
-Ni功能梯度材料
通过抗热震参数分析和热循环试验研究ZrO
2
-Ni 功能梯度材料的热冲击与热疲
劳行为及其影响因素。

结果表明ZrO
2-Ni FGM 抗热震参数呈梯度分布ZrO
2
侧抗
热冲击断裂能力强而富Ni区热疲劳抗力高。

其热震破坏符合热疲劳损伤机理裂纹的准静态扩展为其控制因素。

热疲劳裂纹在梯度层内以微孔聚集、连接方式萌生和扩展而在梯度层间无横向贯穿裂纹克服了传统陶瓷/ 金属结合体的界面热应力剥离问题。

2) HA-Ti功能梯度材料
用粉末冶金法制备出HATi/ Ti/ HATi 轴对称生物功能材料并测定HATi复合体材料的力学性能和热膨胀系数。

应用经典叠层板理论和热弹性力学理论分析了直接叠层体和轴对称FGM 制备残余热应力。

结果表明其微观组织呈对称型梯度化分布。

FGM 中间纯Ti 层具有最高的抗弯强度和断裂韧性而表面层的弹性模量最低。

从生物医学应用的角度看力学性能如此分布的生物材料正是所期望的。

其热膨胀系数随着HA 含量和温度的升高而增大。

制备残余热应力强烈依赖于组成分布组成对称梯度化分布导致了FGM 中残余热应力也呈现对称梯度化分布并降低了其表面层制备残余拉应力。

5 存在的问题
作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。

尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面:
1) 尚需要进一步地研究和探索统一的、准确的材料模型和力学模型；
2) 已制备梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多实用价值；
3) 梯度功能材料特性评价研究的广度和深度还不够,很多实际问题没有解决,在航空航天领域的应用模拟研究有待进一步提高；
4) 成本高。