单一和复合功能渐变的非均质材料。
1.金属强度高、韧性好，但不耐高温和腐蚀；陶瓷耐高温、 抗腐蚀，但脆性大，不耐冲击。 2.但普通的粘结或组合技术，由于两者界面的热胀系数不 同，而产生很大的热应力，引起剥离、开裂和脱落，造成材料
的损坏。
3.梯度功能材料是一种使金属和陶瓷的组分和结构呈连续 变化，从而物性参数也呈连续变化的复合材料。
一种新型复合材料；它的设计要求功能、性能随机件内部位
置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。
12.1.2
梯度功能材料的特点与分类
（一） 主要特征：
(ⅰ) 材料的组分和结构呈连续梯度变化。 (ⅱ) 材料内部没有明显的界面。 (ⅲ) 材料的性质也相应呈连续梯度变化。
梯度功能材料是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚
热防护梯度功能材料的设计
热防护梯度功能材料早期提出的应用目标主要
是用作航天飞机和宇宙飞船的发动机材料和壳体材 料。普通的陶瓷、金属和复合材料的机械强度、耐 热性、耐热循环性和寿命都很难满足要求。
（一）设计思想：
它以缓和热应力和耐热、隔热以及耐腐蚀等
为目的，使材料的构成要素(组成、结构、结合形
式等)从一侧向另一侧呈现连续性变化，从而得到
图12-1 梯度热防护功能材料设计概念
金属和陶瓷的组分和结构呈连续变化，从而物性参数也呈连续变化。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，其耐热性逐渐降低，机械强度逐渐升高， 热应力在材料两端均很小，在材料中部达到峰值，从而具有热应力缓和功能。
热冲击评价和热疲劳评价。
12.3
梯度折射率材料
• 折射率梯度类型
• 梯度折射率材料的制法
12.3.1
折射率梯度类型
在传统的光学系统中，各种光学元件所用的材料都是均
质的，每个元件内部各处的折射率为常数。
梯度折射率材料则是一种非均质材料，它的组分和结构
在材料内部按一定规律连续变化，从而使折射率也相应地呈
特点：可以通过选择合成温度，调节原料气的流量和压力等来
控制FGM各成分的组分比和结构，而且可镀复杂形状的表面材 料，沉积面光滑致密，沉积率高，因而成为制备复杂结构的 FGM的表观涂层关键技术之一。
c.物理-化学气相沉积 (PVD-CVD)
综合了PVD法和CVD法的优点。CVD法的沉积 温度一般高于 PVD法的沉积温度，故在基体的低温
合物等)、结构、物性参数和物理、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，实现某一特殊功能的一类 新型材料。
表12-1 梯度功能材料与混杂材料和复合材料的比较
梯度功能材料能够以几种方式来改善一个构件的热机械特征：
(ⅰ) 热应力值可减至最小，而且适宜地控制热应力达到峰 值的临界位置；
1.局部热应力评价
采用激光和超声波的方法来评价局部热应力的分布和 大小。
2.热屏蔽性能评价
通过高温落差基础试验和模拟实际环境下的隔热性
能和耐久性试验，来评价梯度功能材料的热屏蔽性能。
3.破坏强度评价
在2000K以上的环境中，测定其破坏强度，以考察梯
度功能材料的耐超高温的机械强度。它包括断裂强度评价、
等离子体放电烧结（SPS） 是日本最近几年开发的一 种 新型陶瓷烧结工艺技术。 SPS法具有内部加热和快速升
温特 点，可用于需要抑制晶粒生长的烧结，也可以通过模
具设计 来实现温度梯度，从而满足梯度功能材料烧结工艺
的需要。 利用SPS法来烧结Si3N4、 SiC、Al2O3、ZrO2陶
瓷和Ti-Al 系金属间化合物等。 东北大学已利用SPS烧 结成 功地制备了金属——陶瓷系和高分子—陶瓷系梯度功能 材 料。
(ⅵ) 通过逐级的或连续的梯度可以方便地在延性基底上沉
积厚的脆性涂层(厚度一般大于1mm)；
(ⅶ) 通过调整表面层成分中的梯度，可消除表面锐利压
痕根部的奇异场，或改变压痕周围的塑性变形特征。
（二）梯度功能材料分类 1.组合方式上：
金属／陶瓷、金属／非金属、陶瓷／陶瓷、陶瓷／非金
属以及非金属／塑料等多种结合方式；
• 如果折射率从边缘到轴心连续增加，就是自聚焦 透镜，相当于普通凸透镜。
• 如果折射率从边缘到轴心连续降低，就是自发散 透镜相当于凹透镜。
θ
1
n1
θ
n2
2
2.轴向梯度折射率材料
• • 其折射率沿圆柱形材料的轴向呈梯度变化； 它的等折射率面是材料的横截面。
3.球向梯度折射率材料
• 其折射率对称于球内某点而分布，这个对称中心可以是
变化。
a.物理气相沉积法(PVD) 通过加热等物理方法使源物质(如金属等)蒸发， 进而使蒸气沉积在基体上成膜。
特点：可以制得多层不同物质的膜，但用该法制得的膜较
薄，且每层膜只能是某种物质。
b.化学气相沉积法(CVD) 通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定的
条件下发生化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积。
航空航天事业的快速发展，对材料的机械性能 提出越来越苛刻的要求。例如，当航天飞机往返大气层，
飞行速度超过25马赫兹时，其表面温度高达2000℃。而燃 烧室的温度更高，燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热 流量大于5MW／rn2，其空气入口的前端热通量达50MW／ m2，对如此巨大热量必须采取冷却的措施，因此燃烧室壁内
方法有：实测法、复合法则法和微观力学法。
复合法则法：P＝k1P1＋k2P2＋k1k2Q12
式中：P1——组分1的物性参数；
P2——组分2的物性参数； k1——组分1的体积分数； k2——组分2的体积分数
P——梯度功能材料的物性参数 ；
Q12——与k1、P1、k2、P2有关的函数
表示组成的梯度变化的分布函数形式的选择直接影响梯
图12-3 金属-陶瓷界面 上的应力分布（单位： 1/100MPa） （a）无梯度； （b）有梯度
12.2.2 热防护梯度功能材料的制备方法
图12-4 制作 方法的分类
1.气相沉积法
分为：物理气相沉积(PVD)法、化学气相沉积 (CVD)法和物理-化学气相沉积(PVD-CVD)法，
优点：不用烧结，沉积层致密牢固，组成可连续
将金属和陶瓷粉末掺入微量胶粘剂、分散剂等，用振
动磨制成泥浆，并脱除气泡压成薄膜，然后将这些不同成
分和结构的薄膜进行叠层、烧结。
12.2.3 热防护梯度功能材料的特征评价
由于其组成和性能是呈梯度变化的，因此不能采用一般
常规的测试方法。目前尚无统一的标准。以下是日本热防护
梯度功能材料评价小组提出了三个方面包括六项材料特性的 评价，简介如下：
（一）类型：
• 径向梯度折射率材料 • 轴向梯度折射率材料 • 球向梯度折射率材料
1.径向梯度折射率材料
• • 径向梯度折射率材料是圆棒状的。 它的折射率沿垂直于光轴的半径从中心到边缘连续变化。
•
等折射率面是以光轴为对称轴的圆柱面。
沿垂直于光轴方向截取一定长度的梯度折射率棒两端 加工成平面，就制成一个梯度折射率棒透镜。光线在镜内 以正弦曲线的轨迹传播。
(ⅱ) 对于一给定的热机械载荷作用．推迟塑性屈服和失效 的发生；
(ⅲ) 抑制自由边界与界面交接处的严重的应力集中和奇异 性； (ⅳ) 与突变的界面相比，可以通过在成分中引入连续的或 逐级的梯度来提高不同固体(如金属和陶瓷)之间的界面结合 强度；
(ⅴ) 可以通过对界面的力学性能梯度进行调整来降低裂纹 沿着或穿过一个界面扩展的驱动力；
优点：操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高
缺点：材料致密度低
改进：(提高密度)
•
• 电磁加压自蔓延技术合成TiB2／Cu系梯度功能材料； 自蔓延和热等静压相结合，研制了成分为TiC／TiC+10％
Ni/ TiC +20％Ni／TiC+30％Ni 的大型梯度功能TiC／Ni材料； • 爆炸压实生坯和自蔓延高温合成技术制备了A12O3／Ti系梯
侧采用PVD法，高温侧采用CVD法。
例如：Ti／TiC、Ti／TiN、Ti／TiAlN和SiC／C／TiC等
2.等离子喷涂法
基本原理：
使用粉末状物质作为喷涂材料，以氮气、氩气等气体为
载体，吹入等离子射流中，粉末在被加热熔融后进一步加速， 以极高速度冲撞在基材表面形成涂层。 关键：精确控制组分比、喷涂压力、喷涂速度和喷涂颗粒的 粒度等参数，以调整FGM的组织结构和成分。 要求：材料不能分解
球心，也可以不是；
• 它的等折射率面是同心球面。 1854年麦克斯韦提出了球面梯度透镜的设想，即著名的 Maxwell鱼眼透镜。1985年祝颂来等人报导了一种直径约5mm 的玻璃梯度折射率球，1986年Koike等人报导了直径为0.05～
3mm的高分子梯度折射率球。
（二）制得光学元件： 径向梯度折射率棒透镜、轴向梯度折射率棒透镜、 球向梯度折射率球透镜、平板透镜 (见图12-6)、平板 微透镜阵列(见图12-7)、梯折光波导元件(见图12-8)
度功能材料（理论密度从82％～94％ ）
4.颗粒梯度排列法
优点：比较适合制备大体积的梯度材料， 缺点：工艺比较复杂，制品有一定的孔隙率，尺寸
受模具限制。
a.颗粒直接填充法：
将金属、陶瓷或晶须等的粒子(粒度约为0.1微米至几
十微米)，按一定的梯度分布直接填充到模具中经过加压、
烧结而成；
b.薄膜叠层法：
3.自蔓延高温合成法
基本原理：
将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化填充，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，利用粉末状混
合物间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。
特点：利用高放热反应的能量使化学反应自动持续下去，最