湖南大学金属功能材料第3节 功能梯度材料.pdf

第3章功能梯度材料 Functionally Gradient Materials 主讲老师 ：严红革 第1节基本概念 定义 梯度功能材料(FGM) 是两种或多种材料复 合成结构和组分呈连 续梯度变化的一种新 型复合材料。 主要特征 材料的组分和结构 呈连续梯度变化； 材料的内部没有明 显的界面； 材料的性质也相应 呈连续梯度变化。 FGM的研究背景 1984年日本国立宇航实验室为适应宇航技术的发展， 提出了梯度功能材料的设想，并很快引起世界各国 科学家的极大兴趣和关注。 1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提 出使金属和陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连 续变化的热防护梯度功能材料的概念。 1990年日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。 1993年美国国家标准技术研究所(NIST)开始了一个 以开发超高温耐氧化保护涂层为目标的大型FGM研 究项目。 最近，通过改变复合两相的配制，在复合材料内部 形成精细的构造梯度。 梯度功能材料已经发展成为当前结构材料和功能材 料研究领域中的重要主题之一。 摩擦升温后梯度材料变化较小，普通材料则变成兰紫色 我国的一些大专院校和科研院所也在积极进行 FGM的研究。 随着FGM 的研究和发展，其应用不再局限于宇航 工业，已扩展到核能源、电子材料、光学工程、化 学工业、生物医学工程等领域。 功能材料的分类 组合方式上分 金属/金属、金属/ 陶瓷、金属/非金属、 陶瓷/ 陶瓷、陶瓷/非金属… 组成变化上分 梯度功能整体性(从一侧到另一侧组成呈梯度变化) 梯度功能涂层型(涂层的组成梯度变化) 梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化) 功能上分 热防护型梯度复合材料 折射率梯度复合材料 … 梯度功能材料与复合材料比较 材料 复合材料 梯度材料 设计思想 材料优点的相互复合 特殊功能为目标 结合方式 化学键/物理键 分子间力/化学键/物理键 微观组织 界面处非均质 均质/非均质 宏观组织 均质/突变 非均质（连续变化） 功能 一致 梯度化 功能梯度材料在构件性能改善中的作用 热应力值可减至最小，而且可以按照需要来控制 热应力峰值出现的临界位置； 延缓构件在热机械载荷作用的屈服变形和失效的 发生； 抑制自由边界与界面交接处的严重应力集中； 与组织性能突变的界面相比，通过制造连续的或 逐级的梯度组织可以提高异质材料(如金属和陶瓷) 之间的界面结合强度； 通过对界面力学性能的梯度控制，可以抑制裂纹 沿着或穿过界面扩展的驱动力； 通过制造连续梯度过渡层，可以方便地在延性基 底上沉积厚的脆性涂层； 通过调整表面层成分中的梯度，可消除表面锐利 压痕根部的奇异场，或改变压痕周围的塑性变形特 征。 第2节热防护梯度功能材料 一、功能设计 研究背景：早期提出的应用目标主要是用作航天飞机 和宇航飞船的发动机材料和壳体材料。当航天飞机往返 大气层，马赫数为8Mah ，头部和机翼前沿的表面温度可 达1800℃。新一代航天飞机要求能重复使用数百次。 热防护梯度功能材料早期提出的应用目标主要是 航天飞机和宇宙飞船的发动机材料和壳体材料。普 通的陶瓷、金属和复合材料的机械强度、耐热性、 耐热循环性和寿命都很难满足要求。 传统材料存在的问题： 金属材料难以满足这种苛刻的使用环境，而金属 表面陶瓷涂层材料或金属与陶瓷复合材料在此高温 环境中使用时，由于两者的热膨胀系数相差较大， 往往在金属和陶瓷的界面处产生较大的热应力，导 致出现剥落或龟裂现象而使材料失效。 设计思路：将金属和 陶瓷组合起来，使其组 分和结构呈连续变化， 可以充分发挥两者优点， 能有效地解决热应