第十二章_梯度功能材料.ppt

改进：(提高密度) 电磁加压自蔓延技术合成TiB2／Cu系梯度功能材料； 自蔓延和热等静压相结合，研制了成分为TiC／TiC+10％Ni/ TiC +20％Ni／TiC+30％Ni 的大型梯度功能TiC／Ni材料； 爆炸压实生坯和自蔓延高温合成技术制备了A12O3／Ti系梯度功能材料（理论密度从82％～94％ ） 4.颗粒梯度排列法 优点：比较适合制备大体积的梯度材料， 缺点：工艺比较复杂，制品有一定的孔隙率，尺寸受模具限制。 a.颗粒直接填充法： 将金属、陶瓷或晶须等的粒子(粒度约为0.1微米至几十微米)，按一定的梯度分布直接填充到模具中经过加压、烧结而成； b.薄膜叠层法： 将金属和陶瓷粉末掺入微量胶粘剂、分散剂等，用振动磨制成泥浆，并脱除气泡压成薄膜，然后将这些不同成分和结构的薄膜进行叠层、烧结。 12.2.3 热防护梯度功能材料的特征评价 由于其组成和性能是呈梯度变化的，因此不能采用一般常规的测试方法。目前尚无统一的标准。以下是日本热防护梯度功能材料评价小组提出了三个方面包括六项材料特性的评价，简介如下： 1.局部热应力评价 采用激光和超声波的方法来评价局部热应力的分布和大小。 2.热屏蔽性能评价 通过高温落差基础试验和模拟实际环境下的隔热性能和耐久性试验，来评价梯度功能材料的热屏蔽性能。 3.破坏强度评价 在2000K以上的环境中，测定其破坏强度，以考察梯度功能材料的耐超高温的机械强度。它包括断裂强度评价、热冲击评价和热疲劳评价。 12.3 梯度折射率材料 折射率梯度类型 梯度折射率材料的制法 12.3.1 折射率梯度类型 在传统的光学系统中，各种光学元件所用的材料都是均质的，每个元件内部各处的折射率为常数。 梯度折射率材料则是一种非均质材料，它的组分和结构在材料内部按一定规律连续变化，从而使折射率也相应地呈连续变化。 光学梯度功能材料是最早研究的梯度功能材料。 1900年美国人用明胶做成了光折射率沿径向连续变化的圆柱棒，称之为梯度折射率材料(gradient-index materials，简称GIM)。由于制作工艺没有解决，未能实际应用。1969年，日本人用离子交换工艺制成玻璃梯度折射率棒材和光纤，达到了实用水平。 （一）类型： 径向梯度折射率材料 轴向梯度折射率材料 球向梯度折射率材料 1.径向梯度折射率材料 径向梯度折射率材料是圆棒状的。 它的折射率沿垂直于光轴的半径从中心到边缘连续变化。 等折射率面是以光轴为对称轴的圆柱面。 沿垂直于光轴方向截取一定长度的梯度折射率棒两端加工成平面，就制成一个梯度折射率棒透镜。光线在镜内以正弦曲线的轨迹传播。 如果折射率从边缘到轴心连续增加，就是自聚焦透镜，相当于普通凸透镜。 如果折射率从边缘到轴心连续降低，就是自发散透镜相当于凹透镜。 n1 n2 θ1 θ2 2.轴向梯度折射率材料 其折射率沿圆柱形材料的轴向呈梯度变化； 它的等折射率面是材料的横截面。 3.球向梯度折射率材料 其折射率对称于球内某点而分布，这个对称中心可以是球心，也可以不是； 它的等折射率面是同心球面。 1854年麦克斯韦提出了球面梯度透镜的设想，即著名的Maxwell鱼眼透镜。1985年祝颂来等人报导了一种直径约5mm的玻璃梯度折射率球，1986年Koike等人报导了直径为0.05～3mm的高分子梯度折射率球。 （二）制得光学元件： 径向梯度折射率棒透镜、轴向梯度折射率棒透镜、球向梯度折射率球透镜、平板透镜 (见图12-6)、平板微透镜阵列(见图12-7)、梯折光波导元件(见图12-8) 图12-6 图12-7 图12-8 12.3.2 梯度折射率材料的制法 制取方法： 1.离子交换法 2.溶胶-凝胶法 3.扩散共聚法 4.光共聚法 5.悬浮共聚法 6.界面凝胶共聚法 1.离子交换法 在玻璃软化温度以下的熔盐中，玻璃中的金属离子与熔盐中的金属离子进行扩散交换，逐步形成所交换离子的浓度梯度，从而形成折射率的梯度。可以外加电场以促进极性离子的扩散交换速率。常用的盐类有硼酸盐、硼硅酸盐、锌硅酸盐、钠硼硅盐和银盐等。 优点：工艺已经成熟，产品已商品化； 缺点：扩散深度小，不能制出大尺寸的梯度材料，仅限于微型光学系统