含币形裂纹功能梯度材料轴对称接触问题的线性分层方法-应用数学专业论文.docxVIP

宁夏大 宁夏大学硕士论文 引言 - - PAGE 1 - 第一章 引 言 1.1 功能梯度材料简介与研究现状 1.1.1 功能梯度材料的产生背景 复合材料已经在工程中得到广泛的应用，然而传统的复合材料，由两种或两种以上的不同 均匀材料结合在一起而存在明显的界面，因此材料的物性参数如弹性模量、热膨胀系数在该处 不匹配，从而使得界面容易成为失效的源泉。从力学性能的观点，由于相异材料的不同材料特 性，提供整体复合材料在强度上、抗破坏性或者抗氧化性等的特殊功能，扩大了材料使用的空 间及耐用度。但在许多超高温、超低温、具腐蚀、磨损的使用环境下，需要复合材料的性能随 位置不同而发生变化，来满足材料使用上不同部位的不同需要。由于传统复合材料结合了两种 彼此力学性能有差异的不同材料，在结合部位性质不连续，因此这种强行匹配将成为材料被破 坏的潜在原因。 科学技术飞速发展的当今时代，各行各业对新材料的要求越来越高，尤其是航空航天领域。 这不仅要求材料具有优异的耐热性、隔热性、耐久性及强韧性，而且还要求新材料的性能应随 构建中的位置不同而发生变化。这样传统单相均匀材料已不能满足这一要求，若采用多相复合 材料，常在不同材料的界面处由于物理性能不匹配而产生应力集中。当结构承受较高水平的机 械或温度载荷时，很可能引起脱层破坏或萌发裂纹等现象。例如，在陶瓷热胀涂层体系中引入 金属底层作为过渡层，但在极限环境下(超高温、大温差等)，仍然存在以下问题：一方面由于 陶瓷和金属的物理性质(如热膨系数和弹性模量等)差别较大，易在陶瓷涂层和金属底层界面处 形成严重的应力集中，导致涂层的早期剥落而导致构件失效；另一方面，涂层界面含有大量的 空隙等缺陷，难以阻止氧化性或腐蚀性气体的渗入，造成底层金属甚至集体材料性能的恶化， 因此多相复合材料也无法满足工程要求。 为了解决这类问题，日本科学家平井敏雄、新野正之等人于 1987 年首先提出了一种新型复 合材料——功能梯度材料[1]，该材料的应用目标主要是航天飞机的防热系统和发动机。所谓功 能梯度材料是指在材料中引入成分和/或微观结构的空间变化梯度，使材料的性能在空间位置上 呈梯度变化，从而降低局部应力集中，以保证结构的不同部位在不同服役条件下完成其承担的 功能任务并保证整个结构的完整性和可靠性[2]。 与宏观均质复合材料相比，功能梯度材料的成分和结构在每一处都是有控制地连续改变的。 其特点是构成材料的组成、显微结构(陶瓷、金属、显微气孔等)不仅是连续分布、适应环境， 而且是可以控制的。以航天飞机用的超耐热材料构件为例，在承受高温的表面，设计和配置耐 高温陶瓷；在与冷却气体接触的表面，设计采用导热性和强韧性良好的金属；而在两个表面之 间，采用先进的材料复合技术，通过控制金属和陶瓷的相对组成及组织结构，使其无界面地、 连 续地变化，就得到一种呈梯度变化的材料。从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，强 度逐渐升高，在材料中部热应力达到最大值，从而实现热应力缓和功能。 由于功能梯度材料多方面性能均匀材料具有不可比拟的优势，因而在工程中有着十分广阔 的应用前景。功能梯度材料最主要的设计目的是使用连续变化属性的材料来降低集中普通均匀 材料界面间的残余应力，尤其是断裂力学行为对于功能梯度材料的设计、制造及工程应用有着 十分广泛的应用。 至今为止，大多数有关梯度材料在结构中应用的研究集中在高温部件上。然而，日益发展 的研究成果表明，把功能梯度材料用于表面涂层，可以降低或抑制由于压痕、侵入、滑动接触、 疲劳以及相关的磨损过程引起的摩擦损伤，提高结构部件抵抗接触损伤的能力。 1.1.2 功能梯度材料的研究 FGM 最初是用于热应力缓和功能，应用于高温作业环境，特别适应于要求材料两侧温差较 大的环境，其耐热性、再用性和可靠性是以往使用的陶瓷基复合材料无法比拟的。但随着研究 的深入，通过金属、陶瓷和塑料等不同物质的巧妙梯度组合，FGM 在核能、电子、光学、化学、 电磁学、生物医学乃至日常生活领域都有着巨大的应用前景。 目前，FGM 的研究已从概念上一致向实际制备 FGM 发展。1994 年，在瑞士举行的第三届 FGM 国际会议认为，FGM 应在以下三个领域继续探索：一是综合材料物性参数数据库，并运 用有限元优化系统分析方法进行成分设计研究，肯定了日本东北大学和国立航空宇宙技术研究 所为代表的研究成果；二是扩大和加深材料合成技术的研究范围；三是对 FGM 的性能进行广 泛的评价和应用考评研究。 功能梯度材料的研究包括材料设计、材料制备和材料特性评价等三个部分，三者相辅相成， 缺一不可。材料制备是功能梯度材料研究的核心，材料设计为功能梯度材料合成提供最佳的组 成和结构梯度分布，材料特性评价通过建立针对 FGM 特性的一整套标准化实验方法，据