梯度功能材料的制備與應(yīng)用及其發(fā)展?fàn)顩r

1、 學(xué)科前沿知識講座論文學(xué)科前沿知識講座論文梯度功能材料的制備與應(yīng)用及其發(fā)展?fàn)顩r姓名:李振學(xué)號:08132213班級:材料物理08-2日期:2011年10月22日梯度功能材料的制備與應(yīng)用及其發(fā)展?fàn)顩r李振(中國石油大學(xué)(華東理學(xué)院材料物理08-2,青島,266555摘要:近年來,梯度功能材料(Functionally Gradient Materials,FGM由于其優(yōu)異的性能和特殊的功能,得到了迅速發(fā)展,展現(xiàn)出極大的應(yīng)用價值。FGM的制備方法主要有粉末冶金法、等離子噴涂法、激光熔覆法、氣相沉積法、自蔓延高溫燃燒法等。FGM在航空航天、機械工程、電磁工程、生物工程、核能和電氣工程等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)

2、用。文章綜述了FGM的制備方法、在各領(lǐng)域的應(yīng)用以及發(fā)展現(xiàn)狀,對未來的發(fā)展做了一些展望。關(guān)鍵詞:梯度功能材料;制備方法;應(yīng)用;發(fā)展前景1前言一般復(fù)合材料中分散相是均勻分布的,材料的整體性能是同一的,但在有些情況下,人們常常希望同一件材料的兩側(cè)具有不同的性質(zhì)或功能,又希望不同性能的兩側(cè)結(jié)合完美,從而不至于在苛刻的使用條件下因性能不匹配而發(fā)生破壞1。梯度功能材料(Functionally Gradient Materials,簡稱FGM就是這樣一種材料,是指通過連續(xù)(或準(zhǔn)連續(xù)地改變兩種材料的結(jié)構(gòu)、組成、密度等因素,使其內(nèi)部界面減少乃至消失,從而得到能相應(yīng)于組成與結(jié)構(gòu)的變化而性能漸變的新型非均質(zhì)復(fù)合材

3、料2-3。目前,梯度功能材料的主要制備方法有粉末冶金法、等離子噴涂法、激光熔覆法、氣相沉積法、自蔓延高溫燃燒合成法等4。在航空航天工程、機械工程、電磁工程、生物工程、核能及電氣工程等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。本文綜述了梯度功能材料的不同制備方法及各自特點、應(yīng)用及研究現(xiàn)狀,并對其發(fā)展前景進行了討論。2梯度功能材料制備方法2.1粉末冶金法(PMPM法是將10m100m粒徑的粉末(金屬、陶瓷充分混合,按組分梯度分層填充或連續(xù)成分控制填充,壓實后燒結(jié)制備FGM5。PM法具有設(shè)備簡單、易于操作、成本低等優(yōu)點,但需要對燒結(jié)溫度、保溫時間和冷卻速度等工藝進行嚴(yán)格控制。2.2等離子噴涂法等離子噴涂法是將原料粉末送至

4、等離子射流中,以熔融狀態(tài)狀態(tài)直接噴射到基材上形成涂層4。該方法使用粉末作噴涂材料,以氣體作載體將粉末吹入等離子射流中,依靠等離子弧將粉末熔化,熔融的粒子被進一步加速,然后以極高的速度打在經(jīng)過凈化和粗化處理的基材表面,產(chǎn)生強烈的塑性變形,相互擠嵌、填塞,形成扁平的層狀結(jié)構(gòu)涂層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分和組織,獲得FGM涂層。具有沉積速度快、無需燒結(jié)、不受基材截面積大小的限制等優(yōu)點,尤其適合于大面積表面熱障FGM涂層。2.3激光熔覆法激光熔覆法是隨著激光技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新興的材料制備的方法。采用高能激光束作為熱源輻照基材表面,同時將原料粉末

5、送至基材表面。原料粉末和基材在激光束作用下共同融化,生成合金相。改變原料粉末成分含量,重復(fù)上述過程,即可獲得具有一定梯度的材料。激光熔覆技術(shù)具有很多優(yōu)點:可以通過混合不同合金粉末進行成分設(shè)計,得到完全致密的冶金結(jié)合覆層;熔覆層稀釋度小,且可精確控制;由于快速加熱和冷卻過程,激光熔覆層組織均勻致密,微觀缺陷少,性能優(yōu)于其他工藝生產(chǎn)的復(fù)合層性能6。該工藝工作快速,但設(shè)備成本較高。2.4氣相沉積法氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù),按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD和化學(xué)氣相沉積(CVD兩類。2.4.1物理氣相沉積(PVD物理氣相沉積技術(shù)是真空沉積加工中的一個大分支,它是利用蒸發(fā)

6、或濺射等物理形式把金屬從靶源移走,然后通過真空或半真空空間使這些攜帶能量的蒸氣粒子沉積到基片或零件的表面以形成膜層。反應(yīng)式采用的是與靶源材料性質(zhì)相同的物質(zhì),并按一定的反應(yīng)要求注入某種氣體(例如氮、氧和碳氫化合物氣體,使沉積過程起反應(yīng)而生成化合物膜層7。利用物理氣相沉積法,通過改變蒸發(fā)源可以合成多層不同的膜。PVD法沉積溫度低,對基材熱影響小,但沉積速率低,且不能連續(xù)控制成分分布。2.4.2化學(xué)氣相沉積(CVDCVD法制備FGM是通過賦予原料氣體不同的能量,在反應(yīng)器中進行混合,使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而生成固相的膜沉積在基體上。CVD法的優(yōu)點在于容易實現(xiàn)分散相濃度的連續(xù)變化,可使用多元系的原料氣體合成復(fù)

7、雜的化合物。采用噴嘴導(dǎo)入氣體,能以1mm/h以上的速度成膜,通過選擇合成溫度,調(diào)節(jié)原料氣流量和壓力來控制梯度沉積膜的組成與結(jié)構(gòu)2。2.5自蔓延高溫燃燒合成法自蔓延高溫燃燒合成法是一種合成材料的新工藝,它通過加熱原料粉局部區(qū)域激發(fā)引燃反應(yīng),反應(yīng)放出的大量熱量依次誘發(fā)鄰近層的化學(xué)反應(yīng),從而使反應(yīng)自動持續(xù)地蔓延下去。具有純度高、效率高、耗能少、工藝簡單等優(yōu)點。3梯度功能材料的應(yīng)用3.1航空航天工程中的應(yīng)用在航空航天工程中,推進系統(tǒng)發(fā)動機中的燃燒氣體通常要超過2000,對燃燒室壁會產(chǎn)生強烈的熱沖擊;燃燒室壁的另一側(cè)又要經(jīng)受作為燃料的液氫的冷卻作用,通常在-200左右1。這樣,燃燒室壁接觸燃燒氣體的一側(cè)

8、要承受極高的溫度,接觸液氫的一側(cè)又要承受極低的溫度,一般材料不能滿足這一要求。金屬/陶瓷梯度功能材料很好地解決了這一問題,在陶瓷和金屬之間通過連續(xù)地控制內(nèi)部組成和微細結(jié)構(gòu)的變化,使兩種材料之間不出現(xiàn)界面,從而使整體材料具有耐熱應(yīng)力強度和機械強度也較好的新功能。3.2機械工程中的應(yīng)用基于均值軸承存在著的極限PV值低與使用壽命短兩大缺點,設(shè)計了梯度自潤滑軸承,它通過往基體中添加PbCO3粉末,形成PbCO3/Fe合金粉配比的梯度分布,在燒結(jié)過程中PbCO3受熱分解產(chǎn)生CO2氣體,從而留下孔隙,PbCO3含量不同孔隙率也就不同,軸承的支承面為100%金屬,孔隙率最小,而強度最大,摩擦面上為100%P

9、bCO3,孔隙率最大,可以儲存更多的潤滑劑來維持軸承的自潤滑狀態(tài)。同時PbCO3分解生成的PbO本身也是一種優(yōu)良的固體潤滑劑。因此,梯度自潤滑軸承與一般的均質(zhì)含油自潤滑軸承相比,極限PV值由2.0MPa·m/s提高到4.0MPa·m/s,使用壽命也提高2倍多。硬質(zhì)合金是一種具有高硬度、高強度、耐磨性、耐蝕性和膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)良性能的材料。在機械工業(yè)中廣泛應(yīng)用,如切削刀具、礦山的鑿巖工具等,但該材料固有的硬脆性與使用過程中要求有良好的韌性存在矛盾,已成為制約這種材料進一步擴大使用的關(guān)鍵因素。然而FGM概念使歐美等先進硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家先后研究出梯度硬質(zhì)合金,改變了傳統(tǒng)硬質(zhì)合

10、金WC/Co比例不變的模式,其表現(xiàn)為表層Co含量低、硬度高、耐磨性好,而芯部Co含量高、強度大、沖擊韌性更好,使合金的強度與韌性得到了很好的協(xié)調(diào),當(dāng)使用這種梯度硬質(zhì)合金制成鑿巖鉆齒時,其工作壽命比傳統(tǒng)均質(zhì)硬質(zhì)合金鉆齒提高了3倍8。有研究使用粉末冶金法制得的Al-Si基梯度輕質(zhì)合金可以大大提高材料的耐磨性9。3.3電磁工程中的應(yīng)用在電磁工程中,梯度材料具有許多優(yōu)異的性質(zhì),有的能抑制瞬間電流的放大作用,有的剩磁更低,主要用于制作磁盤、永磁體、振蕩器等,可以提高產(chǎn)品性能。3.4生物工程中的應(yīng)用在生物工程中,許多梯度材料被用作制造牙齒、骨骼、關(guān)節(jié)、器官和仿生工程制品,具有高的比強度和比模量10。3.5

11、核能及電氣工程中的應(yīng)用在核能及電氣工程中,梯度熱電能轉(zhuǎn)換材料用作高能熱電源熱電變換元件、集熱器、熱發(fā)射元件、輻射加熱器、發(fā)熱吸收裝置等,具有高的熱傳導(dǎo)率,高的輻射放熱率。對稱型梯度熱電材料不僅具有高的熱傳導(dǎo)率、電絕緣性和優(yōu)異的平面內(nèi)導(dǎo)電率,而且具有高的熱電轉(zhuǎn)換效率。梯度耐輻射材料應(yīng)用于核聚變反應(yīng)器,具有良好的熱應(yīng)力緩和效率5。4梯度功能材料發(fā)展現(xiàn)狀及展望4.1梯度功能材料發(fā)展現(xiàn)狀1984年,日本科學(xué)家平井敏雄首先提出了梯度功能材料的新設(shè)想和新概念,并展開研究1。日本科學(xué)家在1987-1991年的“開發(fā)緩和熱應(yīng)力的FGM基礎(chǔ)技術(shù)研究”項目中,成功地利用這一思想開發(fā)出用于日本HOPE衛(wèi)星小推力火箭

12、引擎用的緩和熱應(yīng)力耐高溫材料11。雖然FGM產(chǎn)生的時間并不長,但它很快引起世界各國科學(xué)家的極大興趣和關(guān)注。日本、美國、德國、英國、瑞士等國家都相繼開展了FGM的研究12。我國許多高校及科研院所也相繼開展了這方面的研究工作,我國梯度功能材料的研究開發(fā)起步較晚,研究手段和方法還不完善,但已取得較大進展。4.2梯度功能材料研究展望梯度功能材料產(chǎn)生二十多年來,取得了快速的發(fā)展,但目前仍處在較低水平階段。尤其是國內(nèi),在這方面研究起步較晚,總體比較落后,針對性應(yīng)用目標(biāo)的研究還不多。梯度功能材料從研究制備到實際應(yīng)用還有很多難題要解決。其發(fā)展趨勢主要有以下幾點。(1梯度材料設(shè)計的數(shù)據(jù)庫(包括材料體系、物性參數(shù)

13、、材料制備和性能評價等13還需要極大地補充、收集和歸納、整理、完善;(2開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FG M制備技術(shù),因為工程中往往需要大型FGM,美國和日本把對大尺寸FG M的開發(fā)作為其重要的開發(fā)目標(biāo)4;(3高分子梯度功能材料的研究。目前有關(guān)梯度材料的研究和應(yīng)用主要局限于金屬、陶瓷及其它無機小分子復(fù)合材料領(lǐng)域14,而高分子梯度功能材料的研究,國內(nèi)卻幾乎是一片空白15。高分子材料作為材料學(xué)科的重要分支,必將為梯度功能材料的研究發(fā)展提供新的思路;(4梯度功能材料成分的精確控制與檢測。利用計算機實時監(jiān)控梯度功能材料的制備過程,精確控制和測定材料的成分梯度,對產(chǎn)品性能的提高和實際科研應(yīng)用價值都有很大的幫助

14、。例如已有研究,用計算機對Al/SiC梯度功能材料進行數(shù)值模擬分析,預(yù)測評價具有不同梯度的材料相關(guān)性質(zhì)16;(5梯度功能材料實用化推廣,實現(xiàn)理論研究向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。5結(jié)語梯度功能材料的研究還處在較初級的階段,但它展示出來的巨大的科研和應(yīng)用價值促使其迅速發(fā)展。梯度功能材料的開發(fā)制備已經(jīng)成為當(dāng)今材料科學(xué)研究中非常重要的一部分,尤其是基于其優(yōu)異的性能和特殊的功能,在功能材料、新材料領(lǐng)域展現(xiàn)出十分廣闊的發(fā)展前景。材料對社會發(fā)展和科技進步有著至關(guān)重要的作用,作為材料領(lǐng)域中的一員,梯度功能材料必將極大地推進社會科技進步,促進整個國民經(jīng)濟的發(fā)展。參考文獻1彭琰.材料領(lǐng)域的新葩梯度材料N.科技日報,2000

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