第十二章 功能梯度材料
主讲－朱和国 南京理工大学材料系
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本章的学的主要内容及学习要求
一、主要内容：
1.功能梯度材料概述
2.功能梯度材料制备
3.功能梯度材料应用
二、要求：
1.了解功能梯度材料的产生背景及其定义；
2.了解功能梯度材料的特点及其分类；
3.了解功能梯度材料的常用制备工艺；
4.功能梯度材料的应用重点和难点：
Al2O3=4.0；TiB2=4.5；SiC＝3.12等
虚线－压应力区；0－无应力区
比较发现：
1. 成分突变会导致应力集中（解决不
好，哥伦比亚号坠毁，见图）
2. 成分逐步过渡，应力集中大大降低
3. 无梯度样品冷却时开裂，有梯度样
品有近400MPa结合强度
4.有梯度时集中区拉应力仅为无梯度
时的1/3～1/4
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成分设计： 表层：陶瓷类结构材 料，耐热、抗氧化 内层：金属材料，高 热导率、机械强度； 中间通过成分、结构、 性度约为-297华氏度 液氢的温度约为-423华氏度
绝热瓦
航天飞机的外部燃料箱体形巨大， 长度约为154英尺，直径大约27.6英 尺。哥伦比亚号的外部燃料箱净重 66,000磅，装满液氢和液氧之后，总 重量可达170万磅。
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2）组成变化上分： （1）梯度功能整体型(从一侧到另一侧组成梯度变化) （2）梯度功能涂履型(涂层的组成梯度变化) （3）梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化)
3）功能上分： （1）热防护梯度功能材料 （2）折射率梯度功能材料
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能 材 料热 的防 制护 备梯 方度 法功
12.2
三、难点：功能梯度材料的制备原理
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背景：航天方面
航天飞机
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神州号
杨利为
4 4
聂海胜、费俊龙
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背景：航空方面
每秒3.2公里，10倍音速
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设计
不锈钢－陶瓷(Si3N4)界面上应力分布 (单位：1/100MPa)
（a）无梯度；（b）有梯度
W:T=3680K, 19.3; MO:T=2890K,10.2 氧化物陶瓷熔点均在2000K以上，密度：
操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高 材料致密度低 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
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无机：
羟基磷灰石
生
碳酸磷灰石
物
有机：
功
胶原纤维
能
梯
度
骨是无机与
材
有机的复合
料
材料
人体长骨结构示意图
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注意： 梯度材料与合金材料、复合材料的区别
材料 设计思想
组织结构 结合方式
微观组织
混杂材料 分子、原子级水 平合金化 0.1nm-0.1m 化学键、物理键
均质/非均质
复合材料 组分优点的复 合 0.1m-1m 分子间力
原料体系 气相 液相
固相法
方法类别 化学法 物理法 化学法
物理法 化学法 物理法
方法 化学气相沉积法 物理气相沉积
溅射法 离子注入法
电镀法 氧化还原法
熔射法 熔体凝固法 自蔓延法（热分解法）
涂层法 烧结法 部分结晶法 扩散法
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常见热防护梯度功能制备工艺 一、化学气相沉积技术
热应力缓和型SiC/C 梯度材料的CVD合成 原料：SiCl4+CH4+H2 H2-载体气 SiCl4（液态）－硅源 CH4-C源 发热体－石墨 基板－石墨
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过程：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，使生成物在基板上沉积 特点： 1.调节气的流量和压力控制组分比 2.可镀表面形状复杂的材料 3.沉积面光滑致密 4.沉积率高 应用：Ti／TiC、Ti／TiN、Cr／ CrN、SiC／C／TiC等
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二、物理气相沉积技术
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三.自蔓延技术
点火装置
产物
TiC
反
应
反应区
进
行
燃烧波前沿
方
预热区
向
混合物
Ti+C
SHS反应模型示意图
钢管 铝热剂
Fe层 Al2O3陶瓷
离心复合梯度层
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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。 特点：适合于生成热大的化合物的合成，如AlN、TiC、TiB2等
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12.1 功能梯度材料概述
1 梯度功能材料概念的提出 是应航天航空的需要，能在极限环境下正常工作而发展起来
的一种新型功能材料。由两日本人（新野正之、平井敏雄）于 1986年首先提出的，其实我们祖先早在2400多年前就已生产了。 2 梯度功能材料(functionally gradient materials，缩写FGM)
非均质
梯度材料 特殊功能为目 标 10nm-10mm
分子间力/物 理键/化学键 均质/非均质
宏观组织 均质
均质
非均质
功能
一致
一致
梯度化
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3 梯度功能材料的特点 1）组分、结构和性能均呈连续梯度变化。 2）内部无明显的界面。
4 梯度功能材料分类 1） 组合方式上分： 金属/金属 金属／陶瓷、 金属／非金属、 陶瓷／陶瓷、 陶瓷／非金属 非金属／塑料
是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化的一种 新型复合材料；它要求功能、性能随内部位置的变化而变化，实 现功能梯度的材料。
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越王勾践剑深埋地下2400多年，1965年冬出土时依旧寒光逼人，锋利无 比。1977年12月，复旦大学与中科院等对剑进行了无损检测。主要成分是铜、 锡及少量的铝、铁、镍、硫。剑的各个部位铜和锡的比例不一。剑脊含铜较多， 韧性好，不易折断；刃部含锡高，硬度大，使剑非常锋利；花纹处含硫高，硫 化铜可防锈蚀。形成了良好的成分梯度。其实大自然，人类自身早已存在了功 能梯度材料。
控制因素： 1.蒸发速度 2.蒸发物质的组成 3.基板温度 4.反应气体的导入量 阴极：中空 阳极：铜坩锅 氩气：阴阳级放电时
氩气电离产生 氩等离子体 坩锅中金属：受热、 熔融、蒸发、 沉积于基板
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过程： 通过加热等物理方法使源物质(如金 属等)蒸发，使蒸气直接沉积在基板 上成膜，或与反应气体作用并在基 版上沉积（物理－化学气相沉积） 特点： 1.物系的选择面宽 2.产物纯度高 3.组成控制精度高 4.可制多层不同物质的膜 5.膜薄，每层膜为一种物质 应用：合成各种金属和包括氧化物、 氮化物、碳化物在内的陶瓷以及金 属/陶瓷的复合物