2.1梯度功能材料ppt課件

1、梯度功能材料梯度功能材料2復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)v非晶態(tài)合金概念非晶態(tài)合金概念v如果金屬或合金的凝固速度非常快，原子來不及如果金屬或合金的凝固速度非常快，原子來不及整齊排列便被凍結(jié)住了，最終的原子排列方式類整齊排列便被凍結(jié)住了，最終的原子排列方式類似于液體，是混亂的，這就是非晶合金。似于液體，是混亂的，這就是非晶合金。v非晶態(tài)合金的制備關(guān)鍵非晶態(tài)合金的制備關(guān)鍵v第一，使液態(tài)金屬以大于臨界冷卻速度急速冷卻，第一，使液態(tài)金屬以大于臨界冷卻速度急速冷卻，使結(jié)晶過程受阻而形成非晶態(tài)；使結(jié)晶過程受阻而形成非晶態(tài)；v第二，將這種熱力學(xué)上的非平衡態(tài)保存下來，冷第二，將這種熱力學(xué)上的非平衡態(tài)保存下來，冷卻到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度以

2、下而不向晶態(tài)轉(zhuǎn)變。卻到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度以下而不向晶態(tài)轉(zhuǎn)變。v非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)v(1)結(jié)構(gòu)長程無序結(jié)構(gòu)長程無序(2)短程有序短程有序(3)結(jié)構(gòu)成分均勻結(jié)構(gòu)成分均勻性性(4) 結(jié)構(gòu)處于熱力學(xué)上的非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)處于熱力學(xué)上的非平衡態(tài), 總有進(jìn)一總有進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定晶態(tài)的傾向。步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定晶態(tài)的傾向。3主要內(nèi)容主要內(nèi)容v梯度功能材料的介紹梯度功能材料的介紹v梯度功能材料的特點(diǎn)及分類梯度功能材料的特點(diǎn)及分類v梯度功能材料的研究方法梯度功能材料的研究方法v梯度功能材料的應(yīng)用梯度功能材料的應(yīng)用4一、梯度功能材料的介紹一、梯度功能材料的介紹v梯度功能材料梯度功能材料( Functional

3、ly Graded Materials ,簡稱簡稱FGM)的提出是由于航空航天的提出是由于航空航天技術(shù)的發(fā)展而提出的新概念。技術(shù)的發(fā)展而提出的新概念。v航天飛機(jī)在大氣層中長時(shí)間飛行航天飛機(jī)在大氣層中長時(shí)間飛行,機(jī)頭尖端和發(fā)動(dòng)機(jī)頭尖端和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)壁的溫度高達(dá)機(jī)燃燒室內(nèi)壁的溫度高達(dá)2100 K 以上以上,當(dāng)用液當(dāng)用液氮對其進(jìn)行冷卻時(shí)，內(nèi)外表面溫差在氮對其進(jìn)行冷卻時(shí)，內(nèi)外表面溫差在1000以以上。因此材料須承受很大的高溫及內(nèi)外的溫度差。上。因此材料須承受很大的高溫及內(nèi)外的溫度差。56外部燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中航天飛機(jī)左翼前緣的隔熱材料。當(dāng)航天飛機(jī)返回時(shí)，經(jīng)過大氣層，產(chǎn)生劇烈摩擦使溫度高

4、達(dá)攝氏1400度的空氣在沖入左機(jī)翼后融化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，致使機(jī)翼和機(jī)體融化，導(dǎo)致了悲劇的發(fā)生。 7一、梯度功能材料的介紹一、梯度功能材料的介紹v如果將陶瓷涂敷在耐高溫金屬的表面制成的復(fù)合如果將陶瓷涂敷在耐高溫金屬的表面制成的復(fù)合材料。材料。v存在明顯的界面存在明顯的界面, 材料的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱材料的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率等性能發(fā)生突變。兩側(cè)的溫差過大率等性能發(fā)生突變。兩側(cè)的溫差過大,界面處產(chǎn)界面處產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力生很大的熱應(yīng)力,導(dǎo)致深層裂縫導(dǎo)致深層裂縫,剝落剝落,使材料失效。使材料失效。v梯度功能材料發(fā)展梯度功能材料發(fā)展8一、梯度功能材料的介紹一、梯度功能材料的介紹v1984 年年,日本學(xué)者首先提出

5、了日本學(xué)者首先提出了FGM 的概的概念念,其設(shè)計(jì)思想：其設(shè)計(jì)思想：v一是采用耐熱性及隔熱性的陶瓷材料以適一是采用耐熱性及隔熱性的陶瓷材料以適應(yīng)幾千度高溫氣體的環(huán)境；應(yīng)幾千度高溫氣體的環(huán)境；v二是采用熱傳導(dǎo)和機(jī)械強(qiáng)度高的金屬材料二是采用熱傳導(dǎo)和機(jī)械強(qiáng)度高的金屬材料,通過控制材料的組成、組織和顯微氣孔率通過控制材料的組成、組織和顯微氣孔率,使之沿厚度方向連續(xù)變化使之沿厚度方向連續(xù)變化,即可得到陶瓷金即可得到陶瓷金屬的屬的FGM。9越王勾踐寶劍越王勾踐寶劍春秋晚期越國青銅兵器春秋晚期越國青銅兵器出土于湖北江陵楚墓，深埋地出土于湖北江陵楚墓，深埋地下下2400多年，多年，1965年冬出土?xí)r年冬出土?xí)r依

6、舊寒光逼人，鋒利無比。依舊寒光逼人，鋒利無比。長長55.7厘米，劍刃鋒芒犀利厘米，劍刃鋒芒犀利鋒能割斷頭發(fā)鋒能割斷頭發(fā) 一、梯度功能材料的介紹一、梯度功能材料的介紹 主要成分是銅、錫及少量的鋁、鐵、鎳、硫。劍的各個(gè)部位主要成分是銅、錫及少量的鋁、鐵、鎳、硫。劍的各個(gè)部位銅和錫的比例不一。形成了良好的成分梯度。銅和錫的比例不一。形成了良好的成分梯度。劍脊含銅較多，韌性好，不易折斷；劍脊含銅較多，韌性好，不易折斷；刃部含錫高，硬度大，使劍非常鋒利；刃部含錫高，硬度大，使劍非常鋒利；花紋處含硫高，硫化銅可防銹蝕?；y處含硫高，硫化銅可防銹蝕。11v考工記考工記說：說：“金有六齊金即銅，在化學(xué)金有六齊

7、金即銅，在化學(xué)上稱銅錫合金為齊）：上稱銅錫合金為齊）：v六分其金，而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五分其六分其金，而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五分其金，而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金，而金，而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金，而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金，而錫居一錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金，而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金，而錫居二，謂之，謂之大刃之齊；五分其金，而錫居二，謂之削殺矢之齊：金錫半，謂之鑒燧之齊。削殺矢之齊：金錫半，謂之鑒燧之齊?！?v呂氏春秋呂氏春秋類別類別說：說：“金柔錫柔，合兩柔則金柔錫柔，合兩柔則為剛為剛”。 一、梯度功能材料的介紹一、梯度功能材料的介紹12古代劍刃制造中的特

8、殊技術(shù)古代劍刃制造中的特殊技術(shù)青銅劍劍身及青銅劍劍身及劍鋒由不同成分劍鋒由不同成分的青銅組成的青銅組成梯度材料梯度材料梯度材料古已有之梯度材料古已有之古代劍刃截面圖古代劍刃截面圖一、梯度功能材料的介紹一、梯度功能材料的介紹13vFGM 最初的目的是解決高性能航空航天飛行最初的目的是解決高性能航空航天飛行器對超高溫材料的需求，目前器對超高溫材料的需求，目前FGM 的應(yīng)用不的應(yīng)用不再局限于航宇工業(yè)，已擴(kuò)大到核能源、電子、再局限于航宇工業(yè)，已擴(kuò)大到核能源、電子、光學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。光學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。一、梯度功能材料的介紹一、梯度功能材料的介紹14v梯度功能材料梯度功能材料F

9、GM）是兩種或多種材料是兩種或多種材料復(fù)合成結(jié)構(gòu)和組分呈連續(xù)梯度變化的一種新型復(fù)合成結(jié)構(gòu)和組分呈連續(xù)梯度變化的一種新型復(fù)合材料。復(fù)合材料。 v指材料的組成和結(jié)構(gòu)從材料的某一方位向另一指材料的組成和結(jié)構(gòu)從材料的某一方位向另一方位連續(xù)地變化，使材料的性能和功能也呈現(xiàn)方位連續(xù)地變化，使材料的性能和功能也呈現(xiàn)梯度變化的一種新型的非均質(zhì)功能復(fù)合材料梯度變化的一種新型的非均質(zhì)功能復(fù)合材料一、梯度功能材料的介紹一、梯度功能材料的介紹15一、梯度功能材料的介紹一、梯度功能材料的介紹FGMFGM使熱應(yīng)力緩和使熱應(yīng)力緩和, ,材料內(nèi)部無明顯的材料內(nèi)部無明顯的界面。界面。16二、梯度功能材料的特點(diǎn)及分類二、梯度功能

10、材料的特點(diǎn)及分類v功能梯度材料的主要特征：功能梯度材料的主要特征：v材料的組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化；材料的組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化；v材料的內(nèi)部無明顯界面；材料的內(nèi)部無明顯界面；v材料的性質(zhì)呈連續(xù)梯度變化。材料的性質(zhì)呈連續(xù)梯度變化。v功能梯度材料的關(guān)鍵技術(shù)是控制界面的成分和功能梯度材料的關(guān)鍵技術(shù)是控制界面的成分和組織連續(xù)變化，使材料的熱應(yīng)力大為緩和。組織連續(xù)變化，使材料的熱應(yīng)力大為緩和。17二、梯度功能材料的特點(diǎn)及分類二、梯度功能材料的特點(diǎn)及分類v從材料的組成方式看，分為金屬從材料的組成方式看，分為金屬/陶瓷、金屬陶瓷、金屬/非非金屬、陶瓷金屬、陶瓷/陶瓷、陶瓷陶瓷、陶瓷/非金屬和非金屬非金屬

11、和非金屬/聚合物聚合物等多種結(jié)合方式。等多種結(jié)合方式。v從組成變化可劃分為：從組成變化可劃分為：v功能梯度整體型組成呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料）功能梯度整體型組成呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料）v功能梯度涂覆型基體材料上形成組成漸變的涂層）功能梯度涂覆型基體材料上形成組成漸變的涂層）v功能梯度連接型兩個(gè)基體間的接縫呈梯度變化）功能梯度連接型兩個(gè)基體間的接縫呈梯度變化）18二、梯度功能材料的特點(diǎn)及分類二、梯度功能材料的特點(diǎn)及分類目前最流行的目前最流行的TiAl2O3梯度材料梯度材料具有金屬具有金屬Ti的優(yōu)良性能和的優(yōu)良性能和Al2O3陶瓷的耐熱、隔陶瓷的耐熱、隔熱、高強(qiáng)及高溫抗氧化性，由于中間成分的連續(xù)熱、高強(qiáng)

12、及高溫抗氧化性，由于中間成分的連續(xù)變化，消除了材料中的宏觀界面，整體材料表現(xiàn)變化，消除了材料中的宏觀界面，整體材料表現(xiàn)出良好的熱應(yīng)力緩和特性。出良好的熱應(yīng)力緩和特性。在超高溫、大溫差、高速熱流沖擊等苛刻環(huán)境條件在超高溫、大溫差、高速熱流沖擊等苛刻環(huán)境條件下使用，可望用做新一代航天飛機(jī)的機(jī)身、燃燒下使用，可望用做新一代航天飛機(jī)的機(jī)身、燃燒室內(nèi)壁等以及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、高效燃?xì)廨啓C(jī)等提供室內(nèi)壁等以及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、高效燃?xì)廨啓C(jī)等提供超高溫耐熱材料。超高溫耐熱材料。 19二、梯度功能材料的特點(diǎn)及分類二、梯度功能材料的特點(diǎn)及分類v正在研究的梯度材料：正在研究的梯度材料：v（1密度梯度功能材料密度梯度功能材料v如

13、在鐵粉中加入不同比例的硬脂酸鋅如在鐵粉中加入不同比例的硬脂酸鋅C36H70O4Zn ，經(jīng)過燒結(jié)后，硬脂酸鋅分解，經(jīng)過燒結(jié)后，硬脂酸鋅分解，孔隙率連續(xù)變化，形成密度梯度材料?？紫堵蔬B續(xù)變化，形成密度梯度材料。v特點(diǎn)：強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐蝕性隨密度下降而特點(diǎn)：強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐蝕性隨密度下降而減小，電阻率卻很大。減小，電阻率卻很大。20二、梯度功能材料的特點(diǎn)及分類二、梯度功能材料的特點(diǎn)及分類v正在研究的梯度材料：正在研究的梯度材料：v（2梯度功能涂層：梯度功能涂層：v梯度外層被噴涂到預(yù)制的大塊構(gòu)件上梯度外層被噴涂到預(yù)制的大塊構(gòu)件上, 優(yōu)化過渡作優(yōu)化過渡作用用,涂層保護(hù)構(gòu)件其余部分避免受到構(gòu)件

14、外部惡劣涂層保護(hù)構(gòu)件其余部分避免受到構(gòu)件外部惡劣的溫度、腐蝕或磨損等條件的作用。的溫度、腐蝕或磨損等條件的作用。vFGM 涂層制備的成本還相對較高涂層制備的成本還相對較高,阻礙了其進(jìn)一步阻礙了其進(jìn)一步的應(yīng)用。發(fā)展可以工業(yè)化應(yīng)用的制備技術(shù)及其相關(guān)的應(yīng)用。發(fā)展可以工業(yè)化應(yīng)用的制備技術(shù)及其相關(guān)設(shè)備是當(dāng)務(wù)之急。設(shè)備是當(dāng)務(wù)之急。21三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法vFGM的研究一般由材料設(shè)計(jì)、材料合成和材料特的研究一般由材料設(shè)計(jì)、材料合成和材料特性評價(jià)三部分組成。性評價(jià)三部分組成。22材料設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)FGM的設(shè)計(jì)：根據(jù)實(shí)際使用要求的設(shè)計(jì)：根據(jù)實(shí)際使用要求,對材料對材料的組成和結(jié)構(gòu)梯度

15、分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。的組成和結(jié)構(gòu)梯度分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。FGM設(shè)計(jì)主要構(gòu)成要素設(shè)計(jì)主要構(gòu)成要素: 1)確定結(jié)構(gòu)形狀確定結(jié)構(gòu)形狀,熱力學(xué)邊界條件和成分熱力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù)分布函數(shù); 2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型數(shù)模型; 3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)力學(xué)計(jì)算方法力學(xué)計(jì)算方法, 計(jì)算計(jì)算FGM的應(yīng)力分布。的應(yīng)力分布。三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法23材料合成材料合成（1粉末冶金法粉末冶金法制取金屬或用金屬粉末或金屬粉末制取金屬或用金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末的混合物作為原料，經(jīng)過與非金屬粉末的混合物作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制

16、造金屬材料、復(fù)合以及各成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合以及各種類型制品的工藝技術(shù)。種類型制品的工藝技術(shù)。是先將金屬、陶瓷、晶須等顆粒狀原是先將金屬、陶瓷、晶須等顆粒狀原料按設(shè)計(jì)的梯度分布方式積層排列成型，料按設(shè)計(jì)的梯度分布方式積層排列成型，經(jīng)壓實(shí)、燒結(jié)而成。經(jīng)壓實(shí)、燒結(jié)而成。三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法24材料合成材料合成2. 等離子噴涂法等離子噴涂法 是將原料粉末送至等離子射流中是將原料粉末送至等離子射流中,用用等離子所產(chǎn)生的高溫、超高速熱源，把等離子所產(chǎn)生的高溫、超高速熱源，把原料粉末以熔融狀態(tài)噴射到基材表面上原料粉末以熔融狀態(tài)噴射到基材表面上形成涂層形成涂層. 噴射

17、過程中，通過改變原料粉末的組噴射過程中，通過改變原料粉末的組分，調(diào)節(jié)等離子射流的溫度和流速，可分，調(diào)節(jié)等離子射流的溫度和流速，可以在基材表面獲得功能梯度涂層以在基材表面獲得功能梯度涂層特點(diǎn)：沉積速率高、無需燒結(jié)特點(diǎn)：沉積速率高、無需燒結(jié)三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法25材料合成材料合成3. 自蔓延燃燒高溫合成法自蔓延燃燒高溫合成法(SHS) 是通過加熱原料粉末局部區(qū)域激發(fā)引燃反應(yīng)是通過加熱原料粉末局部區(qū)域激發(fā)引燃反應(yīng), 反反應(yīng)放出的大量熱量依次誘發(fā)臨近層的化學(xué)反應(yīng)應(yīng)放出的大量熱量依次誘發(fā)臨近層的化學(xué)反應(yīng), 使反使反應(yīng)自動(dòng)持續(xù)的蔓延下去應(yīng)自動(dòng)持續(xù)的蔓延下去, 利用反應(yīng)熱將粉

18、末燒結(jié)成利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材材. 三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法26材料合成材料合成3. 自蔓延燃燒高溫合成自蔓延燃燒高溫合成法法(SHS) 過程：從成形體的一端過程：從成形體的一端點(diǎn)燃，反應(yīng)自行向另一點(diǎn)燃，反應(yīng)自行向另一端傳播，形成梯度功能端傳播，形成梯度功能材料。材料。三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法27材料合成材料合成3. 自蔓延燃燒高溫合成法自蔓延燃燒高溫合成法(SHS)其基礎(chǔ)是組元之間的化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，形成燃其基礎(chǔ)是組元之間的化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，形成燃燒波能使化學(xué)反應(yīng)自發(fā)地維持下去。燒波能使化學(xué)反應(yīng)自發(fā)地維持下去。特點(diǎn)：制備過程簡單、

19、反應(yīng)迅速且能耗少、產(chǎn)品純特點(diǎn)：制備過程簡單、反應(yīng)迅速且能耗少、產(chǎn)品純度高、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)；合成產(chǎn)物孔隙率大度高、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)；合成產(chǎn)物孔隙率大以及反應(yīng)過程速度快、溫度高，致使陶瓷相的大以及反應(yīng)過程速度快、溫度高，致使陶瓷相的大小和形貌難以控制等不足。小和形貌難以控制等不足。如果在材料制備過程中同時(shí)施加壓力，則可以得到如果在材料制備過程中同時(shí)施加壓力，則可以得到高密度的燃燒產(chǎn)品。高密度的燃燒產(chǎn)品。 三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法28v材料合成材料合成v4. 氣相沉積法氣相沉積法v 是根據(jù)沉積過程中沉積粒子的來是根據(jù)沉積過程中沉積粒子的來源不同可以分為化學(xué)氣相沉積法

20、源不同可以分為化學(xué)氣相沉積法(CVD法法)和物理氣相沉積法和物理氣相沉積法(PVD法法). 三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法29材料合成材料合成CVD是將不同的氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)是將不同的氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反應(yīng)產(chǎn)物沉積在基板上。應(yīng)產(chǎn)物沉積在基板上。通過控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度通過控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度,精精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)

21、變化連續(xù)變化 三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法30材料合成材料合成PVD是利用熱蒸發(fā)、濺射、弧光放電等物理過是利用熱蒸發(fā)、濺射、弧光放電等物理過程程,使金屬加熱蒸發(fā)沉積在襯底上進(jìn)行涂層的使金屬加熱蒸發(fā)沉積在襯底上進(jìn)行涂層的方法；方法；成分難以連續(xù)變化成分難以連續(xù)變化改進(jìn)的改進(jìn)的PVD方法，把反應(yīng)氣體通入金屬蒸汽中，方法，把反應(yīng)氣體通入金屬蒸汽中，使金屬反應(yīng)生成金屬化合物。通過控制氣體使金屬反應(yīng)生成金屬化合物。通過控制氣體組成和流量組成和流量,可以產(chǎn)生從金屬到化合物的濃度可以產(chǎn)生從金屬到化合物的濃度梯度如調(diào)節(jié)梯度如調(diào)節(jié)N2流量通過流量通過Ti蒸氣制的蒸氣制的Ti/TiN梯度材

22、料梯度材料三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法31 材料合成材料合成 5. 激光熔覆法激光熔覆法 是將預(yù)先設(shè)計(jì)好組分配比的混合粉是將預(yù)先設(shè)計(jì)好組分配比的混合粉末末A放置在基底放置在基底B上上,然后以高功率的激光然后以高功率的激光入射至入射至A并使之熔化并使之熔化,便會(huì)產(chǎn)生用便會(huì)產(chǎn)生用B合金化合金化的的A薄涂層薄涂層,并焊接到并焊接到B基底表面上基底表面上,形成第形成第一包覆層。一包覆層。 改變注入粉末的組成配比改變注入粉末的組成配比,在上述覆層在上述覆層熔覆的同時(shí)注入熔覆的同時(shí)注入,在垂直覆層方向上形成組在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過程分的變化。重復(fù)以上過程,就可以

23、獲得任意就可以獲得任意多層的梯度膜多層的梯度膜三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法32材料合成材料合成 6. 離心鑄造法離心鑄造法 是利用鑄型旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使是利用鑄型旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使溶液中密度不同的增強(qiáng)體和基體合金分溶液中密度不同的增強(qiáng)體和基體合金分離至內(nèi)層或外層離至內(nèi)層或外層, 使凝固后的成分組織呈使凝固后的成分組織呈現(xiàn)一種或多種成分梯度變化的工藝方法現(xiàn)一種或多種成分梯度變化的工藝方法. 通過改變轉(zhuǎn)速、顆粒大小、加工時(shí)間、通過改變轉(zhuǎn)速、顆粒大小、加工時(shí)間、溫度和密度來控制成分的梯度分布溫度和密度來控制成分的梯度分布.三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法3

24、3材料合成材料合成 7. 電沉積法：低溫下制備電沉積法：低溫下制備FGM的化學(xué)的化學(xué)方法。方法。利用電鍍的原理利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中于兩電極間的外場中,通過注入另一相的通過注入另一相的懸浮液使之混合懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度得到電流密度或粒子濃度得到FGM膜或材料膜或材料.電鍍電鍍在電場的作用下，在電解質(zhì)溶液在電場的作用下，在電解質(zhì)溶液鍍液中由陽極和陰極構(gòu)成回路，使鍍液中由陽極和陰極構(gòu)成回路，使溶液中的金屬離子沉積到陰極鍍件表面溶液中的金屬離子沉積到陰極鍍件表面上的過程。上的過程。三、梯度功能材

25、料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法34v材料合成總的研究趨勢是：材料合成總的研究趨勢是：va.開發(fā)自動(dòng)化程度高、操作簡便的制備技術(shù)；開發(fā)自動(dòng)化程度高、操作簡便的制備技術(shù)；vb.開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；制備技術(shù)；vc.開發(fā)精確控制梯度組成的制備技術(shù)；開發(fā)精確控制梯度組成的制備技術(shù)；vd.深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性中的光、電、磁特性三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法35特性評價(jià)特性評價(jià)FGM由于組成和性能是呈梯度變化的，由于組成和性能是呈梯度變化的，不能采用常規(guī)的測試方

26、法來評價(jià)其性能。不能采用常規(guī)的測試方法來評價(jià)其性能。目前對目前對FGM 的特性沒有統(tǒng)一尺度的特性沒有統(tǒng)一尺度,日日本、美國正致力于制訂統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的研究。本、美國正致力于制訂統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的研究。FGM的評價(jià)方法主要集中在功能梯度材的評價(jià)方法主要集中在功能梯度材料的力學(xué)性能和耐熱性能評價(jià)上。料的力學(xué)性能和耐熱性能評價(jià)上。三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法36特性評價(jià)特性評價(jià)目前已開發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗(yàn)評價(jià)、熱屏目前已開發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗(yàn)評價(jià)、熱屏蔽性能評價(jià)和熱性能測定、機(jī)械強(qiáng)度測蔽性能評價(jià)和熱性能測定、機(jī)械強(qiáng)度測定等四個(gè)方面。還停留在功能梯度材料定等四個(gè)方面。還停留在功能梯度材料試驗(yàn)測定

27、等基礎(chǔ)性的工作上。試驗(yàn)測定等基礎(chǔ)性的工作上。功能梯度材料的特征評價(jià)涉及熱力學(xué)、流功能梯度材料的特征評價(jià)涉及熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科。體力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科。三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法37特性評價(jià)特性評價(jià)熱疲勞特性評價(jià)可通過梯度材料在一定溫?zé)崞谔匦栽u價(jià)可通過梯度材料在一定溫度下熱傳導(dǎo)系數(shù)隨熱循環(huán)次數(shù)的變化來度下熱傳導(dǎo)系數(shù)隨熱循環(huán)次數(shù)的變化來進(jìn)行進(jìn)行隔熱性能是通過模擬實(shí)際環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)隔熱性能是通過模擬實(shí)際環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn),測定材料在不同熱負(fù)荷下的導(dǎo)熱系數(shù)來測定材料在不同熱負(fù)荷下的導(dǎo)熱系數(shù)來加以評價(jià)加以評價(jià)熱沖擊性能通常是通過激光加熱法和聲發(fā)熱沖擊性能

28、通常是通過激光加熱法和聲發(fā)射探測法共同來確定的射探測法共同來確定的超高溫機(jī)械強(qiáng)度的評價(jià)是在超高溫機(jī)械強(qiáng)度的評價(jià)是在2000K以上以上的溫度下的溫度下,測定梯度材料的破壞強(qiáng)度測定梯度材料的破壞強(qiáng)度,并并建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)三、梯度功能材料的研究方法三、梯度功能材料的研究方法38vFGM的應(yīng)用在機(jī)械工程中的應(yīng)用。主要應(yīng)用的應(yīng)用在機(jī)械工程中的應(yīng)用。主要應(yīng)用于航天工業(yè)、核能源等領(lǐng)域。于航天工業(yè)、核能源等領(lǐng)域。v能源，如熱電轉(zhuǎn)換裝置，固體燃料電池、太陽能源，如熱電轉(zhuǎn)換裝置，固體燃料電池、太陽能電池等。能電池等。v在光電，電磁，以及生物相容性領(lǐng)域都有著潛在光電，電磁，以及生物相容性領(lǐng)域都有著潛在的應(yīng)用

29、在的應(yīng)用四、梯度功能材料的應(yīng)用四、梯度功能材料的應(yīng)用39(1)耐熱功能梯度材料耐熱功能梯度材料功能梯度材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域。它以陶瓷功能梯度材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域。它以陶瓷金屬組金屬組合為主。航天飛機(jī)的應(yīng)用合為主。航天飛機(jī)的應(yīng)用效果：提高性能，耐熱應(yīng)力。效果：提高性能，耐熱應(yīng)力。功能梯度材料是未來航天發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料。功能梯度材料是未來航天發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料。四、梯度功能材料的應(yīng)用四、梯度功能材料的應(yīng)用40四、梯度功能材料的應(yīng)用四、梯度功能材料的應(yīng)用41(3)核功能梯度材料核功能梯度材料核聚變反應(yīng)容器用耐輻射性的材料陶瓷作為容器壁核聚變反應(yīng)容器用耐輻射性的材料陶瓷作為容器壁的內(nèi)側(cè)的內(nèi)側(cè), 用導(dǎo)熱性好且

30、強(qiáng)度高的材料金屬作為外用導(dǎo)熱性好且強(qiáng)度高的材料金屬作為外側(cè)側(cè), 兩層之間設(shè)置原子成分不同的多層陶瓷兩層之間設(shè)置原子成分不同的多層陶瓷, 并且并且兩種材料的接合面處金屬兩種材料的接合面處金屬陶瓷連續(xù)變化。陶瓷連續(xù)變化。有助于減少界面熱傳導(dǎo)或熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力。有助于減少界面熱傳導(dǎo)或熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力。梯度組成：金屬梯度組成：金屬-耐射線陶瓷耐射線陶瓷四、梯度功能材料的應(yīng)用四、梯度功能材料的應(yīng)用42(4)生物功能梯度材料生物功能梯度材料天然生物材料幾乎均具有梯度結(jié)構(gòu)和梯度功能。天然生物材料幾乎均具有梯度結(jié)構(gòu)和梯度功能。如動(dòng)植物的層片結(jié)構(gòu)，竹子的纖維螺旋狀結(jié)如動(dòng)植物的層片結(jié)構(gòu)，竹子的纖維螺旋狀結(jié)構(gòu)，

31、人骨的啞鈴狀構(gòu)，人骨的啞鈴狀 構(gòu)造，皮膚的多層結(jié)構(gòu)等，構(gòu)造，皮膚的多層結(jié)構(gòu)等，組織結(jié)構(gòu)功能呈連續(xù)變化。組織結(jié)構(gòu)功能呈連續(xù)變化。利用功能梯度材料的概念進(jìn)行生物梯度材料的利用功能梯度材料的概念進(jìn)行生物梯度材料的仿生研究，將開辟新的研究領(lǐng)域。仿生研究，將開辟新的研究領(lǐng)域。其特征是生物材料的構(gòu)成要素組成結(jié)構(gòu)及結(jié)其特征是生物材料的構(gòu)成要素組成結(jié)構(gòu)及結(jié)合形式等呈梯度漸變，滿足生物材料在不合形式等呈梯度漸變，滿足生物材料在不同部位上有不同性能。同部位上有不同性能。 四、梯度功能材料的應(yīng)用四、梯度功能材料的應(yīng)用43(4)生物功能梯度材料生物功能梯度材料動(dòng)物的牙齒、骨頭、關(guān)節(jié)等都是無機(jī)材料和動(dòng)物的牙齒、骨頭、關(guān)節(jié)等都是無機(jī)材料和有機(jī)材料的完美接合有機(jī)材料的完美接合,重量輕、韌性好、硬重量輕、韌性好、硬度高。度高。例如：梯度材料制成的牙齒例如：梯度材料制成的牙齒,埋入生物體內(nèi)部埋入生物體內(nèi)部的部分由多孔質(zhì)且和人體有良好的相容性的部分由多孔質(zhì)且和人體有良好的相容性的陶瓷組成的陶瓷組成, 露出的外部是硬度高的陶瓷，露出的外部是硬度高的陶瓷，為保持強(qiáng)度中心部分由