梯度功能材料浅谈材料

梯度功能材料浅谈姓名：学号：专业：2012.6.9梯度功能材料摘要:主要介绍梯度功能材料的概念和特性，着重介绍梯度功能材料的制备方法，并重点介绍梯度功能材料现阶段的应用及发展趋势，对其前景的展望。关键词：梯度材料；制备方法；应用前景前言：梯度功能复合材料是为了适应新材料在高技术领域的需要，满足在极限温度环境（超高温、大温度落差）下不断反复正常工作而开发的一种新型复合材料。功梯度功能材料由于本身具有优异的性能以及它所体现出的新颖的材料设计思想，所以一经提出，立即引起世界各国材料科学工作者的高度重视，并对其展开了深入研究。特别是随着现在航天、航空等事业的高速发展，对其的迫切需求使梯度功能材料变的越来越重要和流行。正文:1.梯度功能材料的概念梯度功能材料诞生的社会背景与开发航天飞机机体表面防热系统相关连。日本宇宙科学和材料科学工作者提出了一个还听不惯的新奇材料概念，叫做“梯度功能材料”，对此，被核准用科学技术振兴调整费进行调查研究已有三年。调查研究有了结果，执昭和62年开始三年间，用上述经费成立了“为3缓和热应力的梯度功能材料开发基础技术研究组织。进而在1988年2月把梯度功能从单纯的机械功能扩展为电气、化学、光学、原子核和生物等领域，成立了广阔范围内进行梯度功能材料研究开发的产业界。政府和学术界的联台组织一‘梯度功能材料研究会，正在稳步而顺利地推出新的研究成果。追溯历史，1986年2月，里根总统在新年咨文中发表了东京～华盛顿间只需两小时的特超音速客机。NeworientExpress开发计划。在欧州也发表了各种计划，如英国的载人航天飞机“HOTOL，法国的oN．z”和西德的SANGER”等，部分开发研究正在进行着。日本在1987年6月公开发表了宇宙开发委员会长期政策恳谈会报告书中谈到：“到21世纪初，日本应成为世界宇宙开发中心的一翼”，以此为背景科学技术厅航空宇宙研究所在1988年7月召开的“宇宙往返输送技术讲演会”上发表了具有挑战性的宇宙往返和特超音速客机两用的航天飞机开发计划。为了推进该计划。作为其基础技术的发动机，机体捌科和飞行控制技术等的开发是很必要的，但由于在大气圈内高速飞行，机体的机头尖端和机翼前沿可能达到约1800℃的高温(图1)，因此作为机体料的遮热型超耐热材料的开发是必不可少的。根据上述背景，以正在开发新材料(其使用条件之苛刻远远超过航天飞机)的新野正文为中心的科学技术厅航空宇宙研究所的研究者和东北大学的材料研究者们提出了“梯度功能材料”(FunctionallyGradientMaterial，以下简称FGM)的新概念。4梯度功能复合材料（functionallygradedmaterials），简称FGM，其概念是由日本新野正之与平井敏雄等学者于1986年首先提出的，它是指材料的组成和结构从材料的某一方位一维二维或者三维）向另一方位连续地变化，使材料的性能和功能呈现梯度变化的一种新型的功能性材料。如图：2.梯度功能材料的特性从材料的结构角度来看，梯度材料是选用两种（或多种）性5能不同的材料，通过连续地改变这两种（或多种）材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度材料。3.梯度材料的制备梯度材料的制备方法多种多样，但最常用的是化学气相沉积法、粉末冶金法、等离子喷涂法、自蔓延燃烧高温合成法、激光融覆法等等。3.1化学气相沉积法化学气相沉积法是通过气相物质间在一定条件下发生化学反应，使生成的固相在基体上沉积来制备材料的方法。该方法的特点是通过选择合适温度，调节原辩气流量和压力等以控制原料的组成比来制备功能梯度复合材料。日本学者以SiCl4-CH4-H2做气源，通过控制SiCl4-CH4的比，在1400一1500℃温度下，在石墨基体上得到了SiC／C梯度功能复合材料。3.2粉末冶金法粉末冶金法首先将原料粉末按不同混合比均匀混合，然后以梯度分布方式积层排列，再压制烧结而成。粉末冶金法可靠性高，适合于制造形状比较简单的功能梯度材料部件，但工艺比较复杂，制备的梯度材料有一定的孔隙率。按其成型工艺可分为叠层法、喷射积层法、粉浆浇注法和涂挂法等。3.3等离子喷涂法等离子喷涂法是以气体作载体将喷涂材料(粉末)吹入等离子射流中，6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FMG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自蔓延燃烧高温合成法(SHS)SHS法是通过加热原料粉局部区域激发引燃反应，反应放出的大量热量依次诱发邻近层的化学反应，从而使反应自动持续地蔓延下去。SHS法尤其适合于制备FGM，由于在SHS过程中燃烧反应的快速进行，原先坯体中的成本梯度安排不会发生改变，从而最大限度地保持了原先最终设计的梯度组成。4.梯度材料的应用由于梯度功能材料具有组成，结构从一种到另一种连续变化的特点，它可以把两种完全不同的性能，如耐磨性和强韧性融于一体。这种特殊的材料能在两种温差很大或环境截然不同的条件下工作，因此得到了广泛的应用。下面较详细地介绍梯度功能材料在各领域的应用：4.1梯度功能热障涂层等离子喷涂热障涂层（TBC）作为热保护材料广泛用于汽轮机叶片、航天飞机燃烧室内壁等受热金属部件上。4.2机械工程中的应用在机械工程中，超硬梯度工具材料制成切削工具（如车刀、铣刀、7钻头等）具有表面耐磨性好和心部韧性好的特性，比通常工具的耐磨性提高2倍，寿命延长了5倍。梯度自润滑滑动轴承与一般的均质含油自润滑轴承相比，极限PV值由2.0Mpam/s提高到4.0Mpam/s，使用寿命提高2倍多。梯度涂层材料用于航空涡轮发动机叶片、气缸体、气轮机叶片及大口径火炮，使这些构件具有优良的耐磨性，耐蚀性和耐热性能。4.3光电工程中的应用在光电工程中，梯度封接合金材料用于封接电真空器件（如电子管、灯具等）中石英玻璃外壳及金属电极的材料，它既能与灯壳体达到匹配封接，又具有与钨极一样的导电性，也保证灯壳与电极间有良好的绝缘性。提高了了大功率灯具的使用寿命。梯度功能折射材料用于大功率激光棒、复印机透镜、光纤接口等，具有光电效应好，重量轻，热应力缓和平稳等优点。4.4电磁工程中的应用在电磁工程中，梯度软磁硅钢材料、梯度压电材料，梯度导电及绝缘材料等已在电磁工程中得到应用，它们有的剩磁更低，有的能抑制瞬间大电流的作用，因此主要用作磁盘、永磁体、电磁体、振荡器、超声波振动器等，可提高其性能，减少体积和重量。4.5生物工程中的应用在生物工程中，梯度生物体植入材料具有高的比强度和比模量，不但适合于生物体环境，具有良好的相容性，而且具有良好的自行愈合、修复、再生等特性。在生物医学中，这些材料大量用于骨外科手8术中，用作人造牙、骨、关节、器官和仿生工程制品4.6核能及电气工程中的应用在核能及电气工程中，梯度热电能转换材料用作高能热电源热电变换元件、集热器、热发射元件、辐射加热器、发热吸收装置等，具有高的热传导率，高的辐射放热率。对称型梯度热电材料不仅具有高的热传导率、电绝缘性和优异的平面内导电率，而且具有高的热电转换效率。梯度耐辐射材料应用于核聚变反应器，具有良好的热应力缓和效率。总之，梯度功能复合材料由于其独特的性质，现阶段已被广泛使用到各个领域。5.梯度材料发展前景展望目前，我国梯度功能复合材料的研究仍处于基本性研究阶段，尤其是国内具有针对性应用目标的研究还不多，未来的研究工作仍将围绕材料设计、制备和特性评价等为中心展开。我国应加大梯度材料的研究力度，争取在梯度材料的研究上取得重大突破，为我国的航天事业的进一步发展做出贡献，并将该材料扩展到其它领域，为我国材料科学带来一场新的革命。参考文献【1】李君,罗国强,沈强等.流延法制备梯度功能材料的研究进展[J].中国材料进展,2009,28(4)【2】叶波,李庆余,赵恒勤.梯度功能材料制备方法研究现状与展望[J].矿产保护与利9用,2004,(4)【3】王英姿，张虹，吴波．功能梯度材料的研究现状与展望[J]．河南建材，2002，(2)：16-19【4】韩杰才,徐丽.梯度功能材料的研究进展及展望[J].固体火箭技术,2004,27(3))【5】郭卫红，汪济奎.现代功能材料及其应用［M］.北京：化学工业出版社，2002.189-190【6】小泉光惠浦部和梯度功能复合材料顾姚忠凯译自《铁钢》，1989，Vo1．75，№6杨为幸校2012年6月9日