《功能材料梯度功能材料 》.ppt

在氧化锆含量为50％以上时，烧结梯度层内的m相含量增多。并且在ZrO2含量为50％，60％和纯氧化锆时含量最多。 原因：当氧化锆含量比较少时，在富金属区域，以较大的金属网格为基体，氧化锆分散在金属基体中，相变阻力很大，所以高温冷却时保留了全部 的亚稳t相。在富陶瓷区域，陶瓷为基体连成片，保留了很多m相。 断口形貌 系均匀复合材料Z0到Z30的拉伸试样断口的SEM形貌。 断口呈现大量的韧窝，陶瓷颗粒分布在韧窝底部，表明其断裂行为受基体连续相NiCr合金的控制，宏观上表现为塑性断裂；随陶瓷含量的增加，韧窝的数量逐渐下降，其尺寸也有所减小，表明NiCr合金基体相在微观上的断裂行为并没有发生变化，仍然存在较大的塑性变形。 (a)Z50； (b)Z70 (c)和(d)图(a)中A区和B区的EPMA成分 断裂在宏观上已经明显表现为脆性断裂。由图可见，断口平整，没有明显的韧窝。对基体相和颗粒相的能谱分析表明，基体相为氧化锆陶瓷相，NiCr合金颗粒镶嵌在陶瓷基体上，断裂时合金颗粒由基体脱出。可见，在富陶瓷区的基体由NiCr合金转变为ZrO2陶瓷，微观断裂机制由韧窝型为主转变为以沿晶型为主。 ZrO2-NiCr系均匀断裂韧性试样断口的SEM形貌 (a)Z60 (b)Z70 (c)Z80 Z90 对富陶瓷的复合材料，基体由NiCr合金转变为ZrO2陶瓷，微观断裂机制由韧窝 型为主转变为以沿晶型为主，断口较为平整，呈现典型的脆性断裂特征。 　功能梯度材料的应用 　航空航天领域 在航空航天领域,日本学者将PSZ/Ti的功能梯度材料应用在火箭推进器燃烧室的内壁上,结果表明,具有功能梯度涂层的热循环寿命明显高于无功能梯度涂层的寿命;功能梯度涂层在航空涡轮发动机叶片上的应用使其具有优良的耐磨性、耐蚀性和耐热性;在燃烧室内衬上的应用提高了其耐磨性。 2　机械工程领域 在机械工程领域,外硬内韧的梯度切削刀具有着良好的综合性能,刀具的使用寿命长,切割效率高,与硬质合金刀具相比,其耐磨性提高了2倍,寿命提高了5倍; 梯度自润滑轴承解决了基体强度与孔隙度之间的矛盾,与均质自润滑轴承相比,梯度自润滑轴承的极限PV值由2. 0 Pa·m / s提高到4. 0 Pa·m / s,使用寿命提高2倍多 . 功能梯度涂层应用在抛光刀具、微型钻头上,使其冲击韧性和使用寿命得到了较大幅度的提高. 功能梯度材料在地质钻探工具上的应用实现了地质钻探工具的高强度、高韧性、高耐磨性的统一,具有优异的综合性能。 * 功能梯度材料 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： 三、难点：功能梯度材料的制备原理 功能梯度材料概述 功能梯度材料（Functionally Graded Materials,以下简称FGM）的概念是由日本材料学家新野正之、平井敏雄和渡边龙三等于1987年提出。FGM就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。如图所示，在金属底层与热障工作层之间引入成分过渡层，消除涂层中的宏观界面，合成一种非均一的复合材料，其机械、物理、化学特性是连续变化的，没有突出，缓和了涂层中的热应力等，成为可以应用于高温环境的新一代功能材料。 神州号 杨利为 聂海胜、费俊龙 每秒3.2公里，10倍音速 背景：航空方面 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：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 设计 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、性能上的梯度变化，释放其热应力。 　　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。 液氧的温度约为-297华氏度 液氢的温度约为-423华氏度 绝热瓦