第14章 梯度功能材料

第十四章梯度功能材料14.1梯度功能材料的概念14.2梯度光折射率材料14.3熱防護梯度功能材料14.4梯度功能材料的展望教學(xué)目標(biāo)及基本要求掌握梯度功能材料的概念，梯度折射率材料的折射率類型，梯度折射率材料的特征值，熱防護梯度功能材料原理的設(shè)計，熱防護梯度功能材料的特性評價。熟悉和了解梯度折射率材料的種類和制法，梯度折射率材料的應(yīng)用前景，熱防護梯度功能材料的種類和制備方法，熱防護梯度功能材料的應(yīng)用前景，梯度功能材料的展望。

教學(xué)重點和難點（1）梯度功能材料及其主要特征（2）梯度折射率材料的折射率類型（3）梯度折射率材料的特征值（4）熱防護梯度功能材料的設(shè)計概念（5）熱防護梯度功能材料的特性評價第十四章梯度功能材料

14.1梯度功能材料的概念

梯度功能材料（FGM）是兩種或多種材料復(fù)合成組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化的一種新型復(fù)合材料。梯度功能材料的主要特征有以下三點：（1）材料的組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化。（2）材料內(nèi)部沒有明顯的界面。（3）材料的性質(zhì)也相應(yīng)呈連續(xù)梯度變化。最早研究的梯度功能材料是光學(xué)梯度功能材料。1900年美國的Word用明膠做成了光折射率沿徑向連續(xù)變化的圓柱棒，稱之為梯度折射率材料。

1969年，日本的北野等人用離子交換工藝制成玻璃梯度折射率棒材和光纖，達(dá)到了實用水平。1984年日本國立宇航實驗室為適應(yīng)宇航技術(shù)的發(fā)展，提出了梯度功能材料的設(shè)想。1987年日本平井敏雄等人提出了金屬和陶瓷復(fù)合的熱防護梯度功能材料的概念。1990年10月在日本召開了第一屆梯度功能材料國際研討會。我國1980年開始研究梯度功能材料。1991年梯度功能材料及其應(yīng)用列入了國家863計劃和國家自然科學(xué)基金項目。研究發(fā)展較快，進(jìn)展較好。

14.2梯度光折射率材料

傳統(tǒng)的光學(xué)材料都是均質(zhì)的，折射率為常數(shù)。梯度折射率材料則是一種非均質(zhì)材料，它的組分和結(jié)構(gòu)在材料內(nèi)部按一定規(guī)律連續(xù)變化，從而使折射率也相應(yīng)地呈連續(xù)變化。一、梯度折射率材料的折射率梯度類型和成像原理梯度折射率材料按折射率梯度分為三種類型：徑向、軸向和球向梯度折射率材料。（一）徑向梯度折射率材料及其成像原理徑向梯度折射率材料是圓棒狀的。它的折射率沿垂直光軸的半徑從中心到邊緣連續(xù)變化，等折射率面是以光軸為對稱軸的圓柱面。（二）軸向梯度折射率材料及其成像原理軸向梯度折射率材料的折射率沿圓柱形材料的軸向呈梯度變化。（三）球向梯度折射率材料及其成像原理球向梯度折射率材料的折射率對稱于球內(nèi)某點而分布，這個對稱中心可以是球心，也可以不是。它的折射率面是同心球面。二、梯度折射率材料的特征值梯度折射率材料的特征值主要有：1、折射率分布曲線：最重要的特征值。2、梯度的色散：包括材料在基本折射率和梯度折射率兩方面的色散。3、梯度的最大斜率：可從折射率分布曲線求得。4、透過率：透過率當(dāng)然越高越好。5、梯度深度：梯度深度決定了梯折材料的尺寸。6、折射率變化范圍：最大折射率差Δn。三、梯度折射率材料的種類和制法梯度折射率材料的制作和元件制作是同步進(jìn)行的。按化學(xué)成分分為無機材料和高分子材料兩大類。玻璃梯折材料的優(yōu)點是透過率高，折射率差大，像差和色差小，分辨率高。缺點是比重大，尺寸小，沖擊強度差，制作過程較復(fù)雜。高分子梯折材料的優(yōu)點是比重小，價格低，易加工，抗沖擊強度大，可制成大尺寸產(chǎn)品和三維光波導(dǎo)元件。缺點是透過率和分辨率較低，折射率可調(diào)范圍小，色差大和熱性能差等。按元件的構(gòu)造分為徑向、軸向梯度折射率棒透鏡，球向梯度折射率球透鏡，平板透鏡，平板微透鏡陣列，梯度折射率光波導(dǎo)元件等。

梯度折射率材料的制備方法

（一）無機梯度折射率材料的主要制備方法1、離子交換法2、化學(xué)氣相沉積法3、分子（離子）填充法4、晶體增長法5、溶膠－凝膠法6、光刻－離子交換法

（二）高分子梯度折射率材料的主要制備方法1、擴散法2、擴散化學(xué)反應(yīng)法3、擴散共聚法4、光共聚法5、懸浮共聚法6、沉淀共聚法7、蒸氣轉(zhuǎn)移－擴散共聚法8、界面凝膠共聚法四、梯度折射率材料的應(yīng)用前景梯度折射率材料制成的光學(xué)元件具有顯著的特點。因此，它在光學(xué)系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。14.3熱防護梯度功能材料

熱防護梯度功能材料的應(yīng)用目標(biāo)主要是用作航天飛機和宇宙飛船的發(fā)動機材料和殼體材料。新一代航天飛機是兼有航天往返和特超音速航空兩用的飛機，也叫空天飛機。不用火箭助推發(fā)射，而是靠發(fā)動機推力從一般跑道上起飛和著陸。新