梯度复合材料简单介绍.

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1、功能梯度材料功能梯度材料Functionally Graded Materials小组成员：小组成员：杨杨 马马 周周 马马功能梯度材料功能梯度材料 有志者，事竟成，破釜沉舟，有志者，事竟成，破釜沉舟，百二秦关终属楚；百二秦关终属楚；苦心人，天不负，卧薪尝胆，苦心人，天不负，卧薪尝胆，三千越甲可吞吴。三千越甲可吞吴。 说的是越王勾践，他有一把剑说的是越王勾践，他有一把剑功能梯度材料功能梯度材料 人造梯度功能材料并不是新事物。越王勾践剑深埋地人造梯度功能材料并不是新事物。越王勾践剑深埋地下下2400多年，多年，1965年出土时依旧寒光逼人，锋利无比。年出土时依旧寒光逼人，锋利无比。1977年年1

2、2月，复旦大学与中科院等对剑进行了无损检月，复旦大学与中科院等对剑进行了无损检测。发现其主要成分是铜、锡及少量的铝、铁、镍、测。发现其主要成分是铜、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，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，硫化铜可防锈蚀锋利；花纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀,形成了良好的形成了良好的成分梯度。成分梯度。梯度功能材料早就出现在自然界中。 竹子是一种典型的梯度功能材料，人类和动物身体中的骨骼也是一种梯度材料，其特点是结构中的最强单元

3、承受最高的应力。 生物的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大差异。有生命的FGM是“有智能的”，它们能感受所处环境的变化(包括局部应力集中)，产生相应的结构修改，而人造梯度材料至少在目前还缺乏这种功能。功能梯度材料竹子竹子竹节中纤维素含量变化竹节中纤维素含量变化功能梯度材料功能梯度材料一、产生背景一、产生背景二、概念二、概念三、设计过程三、设计过程四、制备工艺四、制备工艺五、发展方向五、发展方向六、应用六、应用功能梯度材料功能梯度材料 产生背景产生背景 人类很早就认识到非均匀材料广泛存在于自然界中，如岩石、竹子、牙齿、骨骼等生命或非生命物体，并且其中一些的应用已有数千年的历史。世纪年代以来，随着

4、航空航天工业的发展，材料的隔热成了最大的问题，特殊的服役环境致使一般的匀质材料面临着高温和大的温度梯度的挑战，即使足采用陶瓷或金属复合材料，由于两者的热膨胀系数的差异，在高温使用时也会产生巨大的热应力，导致在材料表层出现剥落或龟裂，使材料失效。功能梯度材料功能梯度材料 产生背景产生背景 随着应航天航空的需要，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。下图为的示意图。的主要优势体现在可以连接种不相容的材料，提高粘结强度，减小不同材料之间的残余应力和裂纹驱动力，消除不同材料界面的交叉点。功能梯度材料 概念 梯度功能材料梯度功能材料(FGM)是两

5、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。 FGM，又称倾斜功能复合材料。功能梯度材料 概念材料显著特征：组分结构及物性参数都呈连续变化; 同一件材料的两侧具有不同性质或功能，且能完美结合; 在苛刻的使用条件下性能匹配而不发生破坏。功能梯度材料 概念金属陶瓷金属非金属陶瓷陶瓷非金属塑料陶瓷非金属金属/金属梯度功能材料组合方式上分功能梯度材料 概念、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) 、功能上分

6、： （1）热防护梯度功能材料 （2）折射率梯度功能材料功能梯度材料 概念注意：注意： 梯度材料与合金材料、复合材料的区别梯度材料与合金材料、复合材料的区别材料混杂材料复合材料梯度材料设计思想分子、原子级水平合金化组分优点的复合特殊功能为目标组织结构0.1nm-0.1m0.1m-1m10nm-10mm结合方式化学键、物理键分子间力分子间力/物理键/化学键微观组织均质/非均质非均质均质/非均质宏观组织均质均质非均质功能一致一致梯度化粉末冶金法 将金属、陶瓷等粉末按一定将金属、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到模具中梯度分布直接填充到模具中加压烧结；也可将不同组分加压烧结；也可将不同组分粉末压成薄膜

7、粉末压成薄膜/ /片后进行叠层片后进行叠层烧结。烧结。 控制各组分混合比，使压后控制各组分混合比，使压后的粉坯梯度层间任一组分浓的粉坯梯度层间任一组分浓度变化较小，梯度层间接合度变化较小，梯度层间接合紧密。紧密。 调节粉末粒度分布和烧结工调节粉末粒度分布和烧结工艺，可得良好热应力缓和的艺，可得良好热应力缓和的梯度功能材料。梯度功能材料。通过粉末混合烧结形通过粉末混合烧结形成的成的FGM结构示意图结构示意图粉末冶金法按其成型工艺可分为直接填充法喷射积层法薄膜叠层法离心积层法粉浆浇注法1.直接填充法 混合粉体经造粒、调整流动性后直接按所需成分在压模内逐层充填，并压制成型。 此法虽工艺简便，但其成分

8、分布只能此法虽工艺简便，但其成分分布只能是阶梯式的。是阶梯式的。功能梯度材料功能梯度材料 制备工艺制备工艺2.喷射积层法 原料粉体各自加入分散剂搅拌成悬浮液，混合均匀后，一边搅拌混合，一边用压缩空气喷射到预热的基板上，通过计算机控制粉末浆的流速及X-Y平台的移动方式，即可得到成分连续变化的沉积层。喷射沉积层经干燥后冷压成型，在热压烧结即得到FGM。该工艺的最大特点是：可连续改变粉末积该工艺的最大特点是：可连续改变粉末积层的组成，控制精度高，是很有发展前途层的组成，控制精度高，是很有发展前途的梯度基层法的梯度基层法。3.薄膜叠层法 在陶瓷和金属粉末体原料中加入微量粘结剂与分散剂，用振动磨混合制浆

9、并经减压搅拌脱泡，用刮浆刀制成厚度10200um的薄膜，将不同比例的薄膜叠层压制，脱除黏合剂后，加压烧结陈阶梯状FGM。要注意调节粉末粒度分布和烧结收缩的均匀性，防止烧结式出现裂纹和层间剥落。4.离心积层法 将原料粉末体快速混合后送入高速离心机中，粉末在离心力作用下紧密沉积于离心机内壁，改变混合比可获得连续成分梯度分布，经过注蜡处理后，离心沉积具有一定生坯强度，可经受切割、冷压等后续成型加工，最后再烧结处理即可。该工艺沉积速度极快，目前实验室规模下，沉积直径15mm、高5mm、壁厚510mm的FGM圆环仅需5min。5.粉浆浇注法 将原料粉均匀混合成浆料，通过连续控制粉浆配比，注入模型内部，可

10、得到成分连续变化的试件，经干燥在热压烧结成FGM等离子喷涂法 等离子体喷涂能同时熔化难熔相和金属，通过等离子体喷涂能同时熔化难熔相和金属，通过控制两种粉末的相对供给速率来预先设置混合控制两种粉末的相对供给速率来预先设置混合比率。比率。 使用粉末作为喷涂材料，以氦气、氩气等气体使用粉末作为喷涂材料，以氦气、氩气等气体为载体，吹入高温等离子体射流。等离子体射为载体，吹入高温等离子体射流。等离子体射流把能量传递给颗粒，粉末被熔融后进一步加流把能量传递给颗粒，粉末被熔融后进一步加速，高速冲撞在基材表面形成涂层。高速使颗速，高速冲撞在基材表面形成涂层。高速使颗粒撞到固体基底上时变得相当扁平，使涂层具粒撞

11、到固体基底上时变得相当扁平，使涂层具有相对低的孔隙率。有相对低的孔隙率。化学气相沉积法化学气相沉积法 两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定条件下发生两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定条件下发生化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积以制备化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积以制备FGM的方法。的方法。 CVD法可通过法可通过选择合成温度、调节原料气流量和压力等选择合成温度、调节原料气流量和压力等来控制来控制FGM各组元的成分和结构，而且可各组元的成分和结构，而且可镀复杂形状的镀复杂形状的表面表面；沉积面光滑致密，沉积率高，成为制备复杂结构；沉积面光滑致密，沉积率高，成为制备复杂结构的的F