梯度功能材料研究与应用.doc

梯度功能材料研究与应用 摘 要： 介绍了近年来梯度功能材料(FGM)国外发展动态,较详细叙述了梯度功能材料制备方法,如化学气相沉积法(CVD),放电等离子烧结法(SPS),复合离心铸造法(CDC)等工艺方法,并介绍了梯度磁性材料、封接合金、刀具材料及生体材料的制备、性能、特点及应用。 关键词： 梯度功能材料；性能； 特点； 应用 1 前 言 材料组成的梯度结构是20世纪70年代初提出的崭新概念,但真正进行研究开发及应用梯度功能材料则是80年代以后的事。虽说迄今梯度功能材料发展不到20年,但其研究开发却十分迅速,特别是日、德、美等先进工业国不论是对梯度功能材料组织结构、性能,还是它们的制备工艺、设备以及材料应用等方面都取得了令人瞩目的成果。进入90年代后,梯度功能材料受到国际材料界的广泛重视,为促进其交流与发展于1990年在日本召开了第一届国际梯度功能材料学术讨论会(FGM),随后每两年召开一次,到1996年已开了四次。会议发表论文数量逐届迅速增长,从第一届的70余篇已增加到近200篇。论文涉及领域非常广泛,如在功能材料中的应用及制备;在结构材料中的应用及制备;机械性能;梯度结构设计等。从会议论文内容看,功能性梯度材料研究与应用论文数量越来越多,表明梯度功能材料开发研究是梯度材料发展的主流。本文主要介绍梯度功能材料国外必威体育精装版发展动向,较详细叙述近年开发的梯度功能材料制备工艺及梯度磁性材料,梯度封接合金,梯度耐热、耐磨合金,生体用梯度材料等。 2 梯度功能材料概述 众所周知迄今人们所熟悉的各种金属材料,不论是晶态材料还是非晶态材料的组成结构都是均匀一致的,因此对于某种确定的材料而言,其物理、机械、电磁等性能是一定的。但是梯度材料的组成成分浓度在材料的某个方向上是连续变化的,即形成梯度分布。这类材料因其内部成分、结构变化所以它的性能也是连续变化的,这种变化的性能正满足了不同工作环境对材料的要求。图1显示出了均质金属材料、复合材料以及梯度材料结构与性能的比较。 图1 均质、复合及梯度材料结构及性能比较 图1示出的是最早开发的耐热隔热陶瓷/金属梯度功能材料(c)与陶瓷/金属复合材料(b),陶瓷金属均质材料(a)的结构,性能比较。由图不难看出均质材料内陶瓷与金属均匀分布,其性能如耐热性、导热性、热膨胀系数均不随空间而变化。复合材料(b)有一明确的连接界面,在界面两边性能截然不同,即跨过界面性能发生突变。这种复合材料在高温下由于界面两侧膨胀系数差很大,容易由于热应力而引起剥离损坏。图1c显示了陶瓷/金属梯度功能材料,从左至右陶瓷浓度减小,而金属含量增加,左端为陶瓷右端为金属。这种结构材料的性能随成分变化而变化,热应力得到缓解,克服了复合材料存在的问题,满足了作为航天飞机机身耐热瓦的苛刻工作环境要求。其实,梯度结构材料在自然界早已存在,如人们熟悉的竹子,其直径虽不20cm却可高达十几米,挺拔而立,这是由于它的结构不同于一般树木。竹子由表皮、基本组织及纤维管束构成。纤维管束则由纤维管束鞘、管孔道等部分组成,其中纤维管束鞘具有很高弹性,且抗拉强度可与钢铁相比,从表皮向里纤维管束鞘浓度逐渐减少,表皮浓度高达90%以上,因此使竹子具有表皮坚硬、内部柔韧、整体质轻等特点。还有人骨也是典型的梯度结构,它由骨质构成,而骨质又分为致密质和海棉质两类。人骨从内部向表面是由海棉质向致密质变化,这样骨表层是骨质密度高的致密质使骨表面坚硬结实,而向里则是海棉质,使骨骼具有柔韧性。所以整个人身骨骼就能支撑人身体,使其能进行立、坐、卧、跑、跳等各种活动。纵观自然界中植物、动物等生物体中的梯度结构,使我们认识到千百万年来生体为适应生存的环境,而逐渐进化形成最适应环境变化的梯度组织,这是一种高度进化的结构形式,可以说当金开发梯度功能材料正是受到生体结构的启发,有人还称梯度功能材料是材料开发的一种最终形态。 3 制备方法的研究与开发 梯度结构材料的制备过程需要严格控制浓度、流量、温度及压力等参数,因此是相当复杂的。目前按原材料形态可分为气相、液相(融熔态)、固相(粉末)等三种方法,具体详见表1所列。以下就表1列出的方法中,目前最常用的几种作较详细的介绍。 3.1 物理气相沉积法 物理气相沉积法(简称PVD法)是高温加热金属使其蒸发然后沉积于基材上,形成约100Lm厚的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束加热、利用空心阴极放电(HCD)的等离子加热及利用气体离子的溅射等方法。图2示出了HCD型 图2 HCD型PVD装置示意图 该装置由水冷铜坩埚、被蒸发金属、反应气体导入管、基板、加热器、氩气管、中空钽阴极等组成。为了获得金属氧化物、氮化物、碳化物陶瓷,需加入氮气、碳