梯度功能材料71429.pptx

梯度功能材料71429;环境苛刻要求;非均匀复合;第3页/共111页;第4页/共111页;其实,梯度结构材料在自然界早已存在,如人们熟悉的竹子,其直径虽不足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。 ;;;复合物及梯度功能材料;;;;;;;Yield strength of Ti2SnC DS copper;Ultimate tensile strength of Ti2SnC DS Copper ;精细复合材料;梯度功能材料;在过去的几十年里，材料科学的研究和发展主要集中在均质材料，如金属、合金、陶瓷、聚合物等。它们的性能在宏观上均匀分布，不随空间变化。但随着航空航天工业的发展，均匀材料开始面临许多挑战。 ;其中由于航天飞机在多次升空的过程中，航天飞机推进系统中工作的超音速发动机的燃烧系统温度通常要超过2000K，对燃烧室壁产生强烈的热冲击，而燃烧室壁的另一侧又要经受作为燃料液氢的冷却作用，即燃烧室壁接触燃烧气体的一侧要承受极高的温度，接触液氢的一侧又要承受较低的温度，同时每当航天飞机往返大气层时，机体与大气层的摩擦，机头尖端和机翼前沿温度也高达2000K。;人们发现，无论是使用传统的金属材料，还是使用传统的陶瓷一金属(或合金)复合材料，虽然可以耐高温冲击，但由于陶瓷和金属间存在明显的界面，界面两侧材料(陶瓷和金属)的热膨胀系数不同，高低温冲击时在界面处会产生很大的热应力，使材料裂缝、剥落、失效。因为高的热应力循环问题，一般材料难以满足这种苛刻的使用环境，所以设想两侧分别用陶瓷和金属，在中间加入梯度过渡层，以减少和克服结合部位的性能不匹配因素 ; 于是在1984年，有日本学者新野正之(M.Niino)，平井敏雄(T.Hirai)，渡边龙三(R. Watanabe)首先提出梯度功能材料(Functionally Gradient Materials，简称FGM)的概念，该概念就是从金属侧逐步过渡到陶瓷侧，并且这种变化满足热应力缓和所要求的材料组分和结构的变化规律，此时为金属/陶瓷梯度功能材料。其研究开发工作最早始于1987年日本科学技术厅的一项“关于开发缓和热应力的梯度功能材料的基础技术研究”计划，并一直受到日本政府的高度重视，被列为日本科学技术厅资助的重点研究开发项目。当时的应用背景为:能承受2000K的高温;巨大的机械负荷;在频繁的热冲击与温差负荷环境下长期反复工作. ;梯度功能材料的表征; FGM是一种特制的，集各种单一组元的最佳优点来获得某种特殊性能的一维、二维或三维梯度变化的新功能材料。如很多天然生物材料，骨，竹子，龟壳等的组织都具有梯度组织分布特征，这种结构特征导致其性能也呈梯度分布， 避免了因性能突变而诱发的不良效应。借鉴这些天然材料的结构特征，开发出的梯度功能材料也有广泛的应用前景。它与普通混杂材料和复合材料有着明显的区别。 ;第25页/共111页; 从材料组成的变化来看，FGM可分为梯度功能涂覆型(在基体上形成组成渐变的涂层)，梯度功能连接型(粘连在两个基体间的接缝组成梯度变化)，和梯度功能材料本身(组成从一侧到另外一侧渐变的梯度材料) 从材料的组合方式来看，FGM可分为金属/金属型FGM，金属/陶瓷型FGM,陶瓷/陶瓷型FGM等多种形式。 ;梯度功能材料的研究现状;第二次浪潮制定的研究背景是: ①材料在结构上能耐很大温差。 ②材料在功能、性质上能在更广泛的温度域上起作用。 ③材料在显微组织上控制热导率，使之尽可能低，从而大幅度提高热一电，光一电的变化效率。这种FGM应用前景很明朗的领域是能源学科，如固体 燃料电池、太阳能电池、热电转化装置等。 ;第29页/共111页;1993年美国的国家标准技术研究所(NIST)开始开发超高温耐氧化保护涂层为目标的大型FGM研究项目。我国也将FGM的研究和开发列入国家高技术“863”计划，由此可见，FGM的研究己成为当今材料科学研究的前沿课题。我国武汉工业大学袁润章教授在国内最早提出了功能梯度材料的概念，并在金属一陶瓷复合刀具的研究中开始了这方面的工作。随后，武汉工业大学、上海硅酸盐研究所、沈阳金属所、天津大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学、华中理工大学、西北工业大学等单位在材料设计、合成工艺和评估等方面作了大量的工作，取得了可喜的成果。 ; 从梯度功能的思想出发，通过金属、陶瓷、塑料等不同物质的功能复合。梯度功能材料在航天事业、核能源、电子、光学、化学、电磁学、生物医学乃至日常生活领域，都有极高的