功能梯度材料.pptx

第第11章章 功能梯度材料功能梯度材料（Functionally Graded Materials）l功功能能梯梯度度材材料料是是指指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。l从从本本质质上上讲讲，功功能能梯梯度度材材料料是是复复合材料的一种合材料的一种。l自自然然界界有有许许多多梯梯度度材材料料的的例例子子，如竹子、贝壳、骨骼等。如竹子、贝壳、骨骼等。一、概述一、概述 越王勾践剑深埋地下越王勾践剑深埋地下2400多年，多年，1965年冬出土时依旧寒光逼人，锋利无比。年冬出土时依旧寒光逼人，锋利无比。1977年年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。铜可防锈蚀。形成了良好的成分梯度。l功功能能梯梯度度材材料料的的概概念念最最早早是是由由日日本本科科学学家家平平井井敏敏雄雄于于1984年年首首先先提提出出的的，目目的的是是要要解解决决如如航航空空、航航天天等等高高技技术术领领域域出出现现的的苛苛刻刻条条件下使用的材料问题。件下使用的材料问题。l如航天飞机推进系统中超音速燃如航天飞机推进系统中超音速燃烧烧冲冲压压式式发发动动机机,其其燃燃烧烧室室壁壁一一侧侧接接触触高高达达2000的的燃燃烧烧气气体体，承承受受超超高高温温，而而另另一一侧侧则则接接触触-200的的液液氢氢燃燃料料，承承受受超超低低温温，而而产产生生的的极极大大热热应应力力。一般材料显然满足不了这一要求。一般材料显然满足不了这一要求。l金金属属-陶陶瓷瓷构构成成的的功功能能梯梯度度材材料料可可有有效效解解决决上上述述极极大大热热应应力力问问题题。高高温温侧侧用用耐耐热热性性好好的的陶陶瓷瓷材材料料，低低温温侧侧用用导导热和强度好的金属材料。热和强度好的金属材料。耐热性耐热性热传导率热传导率热膨胀系数热膨胀系数均匀材料均匀材料有界面的复合材料有界面的复合材料FGM陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷金属金属l材料从陶瓷到金属，其耐热材料从陶瓷到金属，其耐热性逐渐降低，强度缓慢升高性逐渐降低，强度缓慢升高.热应力在材料两端很小，热应力在材料两端很小，在材料中部达到峰值，因而在材料中部达到峰值，因而有效地缓和了热应力。有效地缓和了热应力。耐耐 超超 热热 性性 能能力力 学学 性性 能能 热应力缓和作用热应力缓和作用陶瓷陶瓷金属金属金属金属/陶瓷功陶瓷功能梯度材料能梯度材料Sn Al2O3 扫扫描描电电镜镜观观察察维维氏氏硬硬度度压压痕痕功能梯度材料功能梯度材料的元素分布及的元素分布及电镜组织电镜组织钼钼-铜铜FGM电电子子探探针针分分析析MoCuMo/Cu FGM材料材料MoCul1987年年，日日本本科科学学技技术术厅厅提提出出了了一一项项“关关于于开开发发缓缓和和热热应应力力的的梯梯度度功功能能材材料料的的基基础础技技术术研研究究计计划划”。功功能能梯梯度度材材料料的的出出现现引引起起了了世世界界其其他他国国家家材材料料工工作作者者的的极极大大兴兴趣趣。虽虽然然FGM的的最最初初目目的的是是解解决决航航天天飞飞机机的的热热保保护护问问题题，但但随随着着FGM的的研研究究和和开开发发，其其应应用用已已从从宇宇航航工工业业扩扩大大到到核核能能源源、电电子子、光光学学、化化学学、生生物物医医学学工工程程等等领领域域,其其组组成成也也由由金金属属-陶陶瓷瓷发发展展为为金金属属-合合金金、非非金金属属-非非金金属属、高高分分子子膜膜-高高分分子子膜膜等等多多种种组组合合，种种类类繁多，应用前景广阔。繁多，应用前景广阔。二、功能梯度材料的制备二、功能梯度材料的制备原料体系方法类别方法气相化学法化学气相沉积法物理法物理气相沉积溅射法离子注入法液相化学法电镀法氧化还原法物理法熔射法熔体凝固法固相法化学法自蔓延法（热分解法）涂层法物理法烧结法部分结晶法扩散法1、化学气相沉积法、化学气相沉积法(CVD)通过两种气相均质源输送到通过两种气相均质源输送到反应器中进行均匀混合，在反应器中进行均匀混合，在热基板上发生化学反应并沉热基板上发生化学反应并沉积在基板上。积在基板上。此法特点是通此法特点是通过调节原料气流量和压力来过调节原料气流量和压力来连续控制，改变金属连续控制，改变金属陶瓷陶瓷的组成和结构。的组成和结构。用此方法已用此方法已制备出厚度为制备出厚度为0.42mm的的SiC-C、TiC-C的的FGM材料材料.CVD装置装置CVD原理原理2、物理蒸镀法、物理蒸镀法(PVD)通过物理法使源物质加通过物理法使源物质加热蒸发而在基板上成膜热蒸发而在基板上成膜的制备方法。的制备方法。l已制备出已制备出Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系的系的FGM材料。材料。将该方法与将该方法与CVD法结合已法结合已制备出制备出3mm厚厚SiC-C-TiC等多层等多层FGM膜。膜。3、等离子喷涂法、等离子喷涂法l采采用用多多套套独独立立或或一一套套可可调调组组分分喷喷涂涂装装置置，精精确确控控制制等等离离子子喷喷涂涂成成分分来来合合成成FGM材材料料.l采采用用该该法法须须对对喷喷涂涂压压力力、喷喷射射速速度度及及颗颗粒粒粒粒度度等等参参量量严严格格控控制制，已已制制备备出出部部分分稳稳定定氧氧化锆化锆-镍铬镍铬FGM材料材料.自动等离子喷涂枪自动等离子喷涂枪FGM的等离子喷涂原理的等离子喷涂原理4、颗粒梯度排列法、颗粒梯度排列法 是类似于粉末冶金法的一种烧结方法，可分为颗粒直接填充法和薄膜叠层法。优点：可优点：可制备大体积的梯度材料缺点：缺点：工艺复杂，一定的孔隙率，尺寸受模限制。颗粒直接填充法颗粒直接填充法：将金属、陶瓷等粒子按一定的梯度分布直接填充到模具中经过加压、烧结而成薄膜叠层法薄膜叠层法：将金属和陶瓷粉末掺人微量胶粘剂、分散剂等，振动磨制成泥浆，脱气压膜，再将这些不同成分和结构的薄膜叠层、烧结由八个成分层组成由八个成分层组成由八个成分层组成由八个成分层组成的的的的AlN/WAlN/W功能梯度功能梯度功能梯度功能梯度材料材料材料材料lThe AlN/W FGM shown is this photograph has eight different composition layers which are made of two types of materials:AlN for the matrix and W for the dispersed particles.The AlN/W FGM is the nano-dispersed FGM.The W particles(500nm),which appeared as black spots under the transmission electron microscope,are dispersed from 0WT%to 30wt%in the AlN grain boundaries and of AlN grains.5、自蔓延高温合成法（、自蔓延高温合成法（SHS）l利用粉末间化学反应产生的热量和反应利用粉末间化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材料烧结、合成的方法的自传播性，使材料烧结、合成的方法.l此法过程简单，反应迅速且耗能少。可此法过程简单，反应迅速且耗能少。可通过加压来提高致密度。通过加压来提高致密度。已制备出已制备出Al-TiB2、Cu-TiB2、Ni-TiC等体系的平板等体系的平板及圆柱状及圆柱状FGM。示意图示意图SHS-离心法制备陶瓷内衬复合钢管离心法制备陶瓷内衬复合钢管图3-4 SHS-离心法制备的复合钢管钢管铝热剂Al2O3陶瓷Fe层离心复合梯度层实验过程实验过程（a）点火装置 (b)点火前 (c)SHS反应过程中 (d)SHS反应毕设计的点火装置及Fe2O3-Al体系的SHS反应过程6、共沉降技术制备组成连续变化的共沉降技术制备组成连续变化的FGM沉降参量：沉降参量：沉降行为沉降行为粉料特性：粉料特性：密度、形状密度、形状 粒度及其分布粒度及其分布材料的组成分布材料的组成分布最佳组成分布最佳组成分布C=（x/d）B预测预测设计设计沉降速度沉降速度沉降距离沉降距离沉降介质沉降介质原料配比原料配比 基基本本思思路路LiquidSettling 制备过程制备过程TransferringSinteringFDrying&CompactingFFGMMo-Ti系系FGM功能梯度超硬硬质合金制造方法功能梯度超硬硬质合金制造方法粉末混合体粉末混合体加热烧结加热烧结熔化熔化碳氮化物向表面聚集碳氮化物向表面聚集产生压应力真空下冷却真空下冷却功功能能梯梯度度硬硬质质合合金金刀刀具具7、电泳沉积法、电泳沉积法(EPD)l带电颗粒在电场作用下，向着与其电性相反的电极移带电颗粒在电场作用下，向着与其电性相反的电极移动，称为电泳动，称为电泳(electrophoresis,EP)。用电泳沉积法制。用电泳沉积法制备备FGM速度快、成本低，可产生连续和阶梯状速度快、成本低，可产生连续和阶梯状FGM。通过适时调整悬浮液的成分，可获得理想的通过适时调整悬浮液的成分，可获得理想的FGM.EPD法制备的法制备的Al2O3/ZrO2 FGM片片 三、功能梯度材料的应用三、功能梯度材料的应用1、热应力缓和型梯度材料、热应力缓和型梯度材料减减少少或或克克服服高高温温、大大温温度度落落差差、高高速速热热流流冲冲刷刷和和动动态态机机械械负负荷荷下下由由于于结结合合部部位位热热、力力学学性性能能不匹配造成的材料破坏。不匹配造成的材料破坏。试验中的火箭推进器单元试验中的火箭推进器单元(功功能梯度陶瓷能梯度陶瓷/金属复合材料金属复合材料)梯度涂覆梯度涂覆SiC/C涂层的涂层的C/C复复合材料燃烧室在试验中合材料燃烧室在试验中功能梯度热障涂层功能梯度热障涂层功能梯度热障功能梯度热障涂层用于气轮涂层用于气轮机叶片机叶片2、功能梯度热障涂层的应用、功能梯度热障涂层的应用 3、生物材料、生物材料l含玻璃层的含玻璃层的羟基磷灰石羟基磷灰石(HA)与与Ti或或Ti-6Al-4V合金合金组成的组成的复合材料可做仿生活性人工复合材料可做仿生活性人工关节和牙齿植入体。关节和牙齿植入体。HA/Ti-6Al-4V 复复合粉末的横截面合粉末的横截面HA/Ti-6Al-4V 功能梯度涂层功能梯度涂层HA/Ti-6Al-4V 功能梯度涂层功能梯度涂层材料植入新西材料植入新西兰兔体内兰兔体内12周周后的后的X-光片光片4、多膜光纤、多膜光纤l光通讯领域的光通讯领域的多膜光纤多膜光纤，其，其纤芯纤芯折射率高，包层折射率低，多膜折射率高，包层折射率低，多膜光纤的折射率由心部向外呈现梯光纤的折射率由心部向外呈现梯度分布度分布，是性能更佳的光学元件，是性能更佳的光学元件.梯度多膜塑料光纤梯度多膜塑料光纤5、核反应堆材料、核反应堆材料l用于核聚变反应堆，可消除热传递和热膨胀引起的应用于核聚变反应堆，可消除热传递和热膨胀引起的应力。如金属力。如金属-陶瓷梯度材料。陶瓷梯度材料。l第四代核工业第四代核工业系统面临着高系统面临着高温材料的改进温材料的改进.l先进陶瓷、涂先进陶瓷、涂层和层和功能梯度功能梯度材料材料是潜在的是潜在的选择。选择。功能梯度材料的其它应用功能梯度材料的其它应用灰铸铁与球墨铸铁的梯度复合灰铸铁与球墨铸铁的梯度复合西铁城表壳与表带西铁城表壳与表带(约约1500 HV)CVD法制备的切削刀片法制备的切削刀片剃须刀齿剃须刀齿l此外，梯度技术还可以用于半导体器件、化工容器及此外，梯度技术还可以用于半导体器件、化工容器及部件等的制作。部件等的制作。l功能梯度材料还处于研究、开发和实验阶段功能梯度材料还处于研究、开发和实验阶段，为使功为使功能梯度材料达到实用化，还需对大型材料和复杂形状能梯度材料达到实用化，还需对大型材料和复杂形状材料的制造方法、材料的耐氧化性以及在高温下长时材料的制造方法、材料的耐氧化性以及在高温下长时截止阀球截止阀球(SiC/SiC-TiB2梯度复合梯度复合)间使用时特间使用时特性的变化等性的变化等问题进行深问题进行深入研究和探入研究和探讨。讨。