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功能梯度材料组份功能梯度材料是一种特殊的材料，它在组成成分上呈现出梯度变化的特点。
这种材料的独特性质使其在许多领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍功能梯度材料的组份以及其在不同领域中的应用。
一、功能梯度材料的组份功能梯度材料的组份主要包括两个或多个不同的材料。
这些材料在组份上呈现出梯度变化，即从一个材料逐渐过渡到另一个材料。
这种组份的变化可以是连续的，也可以是离散的。
例如，一种常见的功能梯度材料是由陶瓷和金属组成的。
陶瓷具有优异的耐磨性和耐高温性能，而金属则具有良好的导电性和可塑性。
将这两种材料组合在一起，可以得到既具有良好耐磨性又具有良好导电性的材料。
二、功能梯度材料的应用领域1. 功能梯度材料在航空航天领域中的应用航空航天领域对材料的要求非常高，需要具有轻质、高强度、高温耐受性等特点的材料。
功能梯度材料可以满足这些要求。
例如，在航空发动机中使用功能梯度陶瓷涂层，可以提高发动机的燃烧效率和耐久性。
2. 功能梯度材料在医疗领域中的应用医疗领域对材料的要求也非常严格，需要具有生物相容性、耐腐蚀性等特点的材料。
功能梯度材料可以满足这些要求。
例如，在人工关节中使用功能梯度金属材料，可以提高关节的生物相容性和耐磨性。
3. 功能梯度材料在能源领域中的应用能源领域对材料的要求包括高效转化能源、储能和传输等。
功能梯度材料可以满足这些要求。
例如，利用功能梯度材料制备高效的太阳能电池，可以提高太阳能的转化效率。
4. 功能梯度材料在电子领域中的应用电子领域对材料的要求包括高导电性、低电阻率等。
功能梯度材料可以满足这些要求。
例如，在集成电路中使用功能梯度材料，可以提高电路的性能和稳定性。
三、功能梯度材料的优势功能梯度材料具有以下几个优势：1. 梯度变化的组份可以使材料在不同区域具有不同的性能，从而满足多种需求。
2. 功能梯度材料可以减少不同材料之间的界面应力，提高材料的韧性和可靠性。
3. 功能梯度材料可以实现材料的轻量化，提高材料的性能和效率。
功能梯度材料功能梯度材料（FGM）是一种具有逐渐变化化学成分或结构的材料，其性能在空间上呈现出递增或递减的特点。
这种材料在工程领域中具有广泛的应用，可以有效地解决材料之间的界面问题，提高材料的性能和稳定性。
本文将介绍功能梯度材料的基本概念、制备方法和应用领域。
功能梯度材料的基本概念是指材料的成分或结构在空间上呈现出逐渐变化的特点。
这种逐渐变化可以是化学成分的递增或递减，也可以是结构特征的递增或递减。
通过这种逐渐变化，功能梯度材料可以在不同位置具有不同的性能，从而满足复杂工程环境的需求。
功能梯度材料的制备方法主要包括激光熔覆、沉积成形、化学气相沉积等技术。
其中，激光熔覆是一种常用的制备方法，通过控制激光熔覆过程中的参数，可以实现材料成分和结构的逐渐变化。
沉积成形技术则是利用3D打印等技术，将不同材料逐渐沉积在一起，形成功能梯度结构。
化学气相沉积则是通过控制反应条件和沉积速率，实现材料成分的逐渐变化。
这些制备方法可以灵活地调控功能梯度材料的性能和结构，满足不同工程应用的需求。
功能梯度材料在工程领域中具有广泛的应用。
例如，在航空航天领域，功能梯度材料可以用于制造航天器的热防护结构，提高其耐热性能和抗氧化性能。
在机械制造领域，功能梯度材料可以用于制造高强度、耐磨损的零部件，提高机械设备的使用寿命和稳定性。
在电子器件领域，功能梯度材料可以用于制造高效能、高稳定性的电子元件，提高电子设备的性能和可靠性。
这些应用领域都充分展示了功能梯度材料在工程领域中的重要作用。
总的来说，功能梯度材料是一种具有逐渐变化化学成分或结构的材料，其性能在空间上呈现出递增或递减的特点。
通过灵活的制备方法和广泛的应用领域，功能梯度材料可以有效地解决工程领域中的复杂问题，提高材料的性能和稳定性。
相信随着科学技术的不断进步，功能梯度材料将在更多领域展现出其独特的优势，为人类社会的发展做出更大的贡献。
基于增材制造的功能梯度材料及其结构研究综述功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGMs）是一种具有逐渐变化成分、微观结构和性能的材料，近年来受到了广泛的研究和应用。
在增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的支持下，功能梯度材料的研究得到了进一步的发展。
本文将对基于增材制造的功能梯度材料及其结构进行综述，并探讨其在材料科学和工程领域的应用。
一、功能梯度材料的定义和特点功能梯度材料是一种具有逐渐变化组分和性能的材料。
在传统材料中，通常需要在组成、结构和性能方面做出权衡。
而功能梯度材料能够通过调控材料的微观结构和成分的渐变，实现性能的逐渐转变。
功能梯度材料不仅能够更好地满足不同应力和功能要求，还能够提高材料的使用寿命和效能。
二、增材制造技术在功能梯度材料中的应用增材制造技术是一种采用逐层堆叠的方式制造物体的技术。
它不同于传统的切削加工，减少了材料的浪费，提高了制造效率。
在功能梯度材料的研究中，增材制造技术可以实现多种材料的渐变和组合，从而制备出具有特定功能和性能的材料。
通过控制增材制造过程中材料的定向和温度变化，能够实现材料硬度、导热性和导电性的逐渐变化，从而获得更加优良的性能。
三、功能梯度材料的结构设计和优化功能梯度材料的结构设计和优化是功能梯度材料研究的核心内容。
结构设计的关键是为材料的不同部分设计不同的成分和性能，以满足特定的功能要求。
优化设计则是通过数值仿真和实验测试，计算和验证不同结构参数的影响，以寻找最佳的结构配置。
通过结构设计和优化，可以更好地控制功能梯度材料的性能和应用。
四、功能梯度材料的应用领域功能梯度材料具有广泛的应用前景。
在航空航天领域，功能梯度材料可以用于制造高温结构件和隔热材料，提高材料的耐高温性能。
在能源领域，功能梯度材料可以用于制造高效能量转换器件，提高能量转换效率。
在生物医学领域，功能梯度材料可以用于制造仿生器官和组织工程支架，实现更好的生物相容性和组织修复效果。
梯度功能材料的制备与应用及其发展状况摘要：近年来，梯度功能材料(FunctionallyGradientMaterials，FGM)由于其优异的性能和特殊的功能，得到了迅速发展，展现出极大的应用价值。
FGM的制备方法主要有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、自蔓延高温燃烧法等。
FGM在航空航天、电磁工程、生物工程、核能和电气工程等领域都有广泛的应用。
文章综述了FGM的制备方法、特性、在各领域的应用以及发展现状，对未来的发展做了一些展望。
关键词：梯度功能材料；制备方法；特性；应用；发展前景梯度功能材料(functional gradient material, FGM),即材料的组分和结构从材料的某一方位(一维、二维、三维)向另一方位连续地变化,使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型材料[1]。
20世纪80年代后期,日本学者新野正之等首先提出功能梯度材料的概念[2],很快引起多个国家宇航领域科技工作者的极大关注,功能梯度材料的研究在各国迅速展开,二十多年来,国内外在功能梯度材料的组织结构、性能、制备工艺、设备以及材料的应用方面都取得了令人瞩目的成果。
1梯度功能材料制备方法1.1粉末冶金法(PM)PM法是将10μm～100μm粒径的粉末(金属、陶瓷)充分混合，按组分梯度分层填充或连续成分控制填充，压实后烧结制备FGM[3]。
PM法具有设备简单、易于操作、成本低等优点，但需要对烧结温度、保温时间和冷却速度等工艺进行严格控制。
1.2等离子喷涂法等离子喷涂法是将原料粉末送至等离子射流中，以熔融状态状态直接喷射到基材上形成涂层。
该方法使用粉末作喷涂材料,以气体作载体将粉末吹入等离子射流中, 依靠等离子弧将粉末熔化,熔融的粒子被进一步加速,然后以极高的速度打在经过净化和粗化处理的基材表面,产生强烈的塑性变形,相互挤嵌、填塞,形成扁平的层状结构涂层。
喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例，调节等离子射流的温度及流速，即可调整成分和组织，获得FGM涂层。
梯度功能材料发展现状及趋势[摘要] 综述了梯度功能材料的发展历程及各国研究应用现状，并展望了梯度功能材料的发展前景和趋势。
[关键词] 梯度；涂层；制备技术；研究梯度功能材料（fgm）的功能指机械、热、电、光、核、化学或生物等方面的功能。
它的设计思路是：材料的成分沿厚度方向由一侧向另一侧连续变化，使材料性能也连续变化，以减小和克服结合部位性能不匹配的因素。
根据该原理制备的梯度功能材料，从基体到表面的组分和性能都是呈无界面连续渐变的，涂层与基体具有最佳性能匹配，层间结合力较高，在高温或温差变化大的环境下，不会产生突变的热应力，可有效防止涂层剥落。
目前fgm材料研究还处于基础性研究阶段，主要集中在材料设计、制备和材料性能评价三方面。
梯度功能材料的设计一般采用逆设计系统，即根据使用条件对材料的组成和结构梯度分布进行设计。
梯度功能材料的制备过程需严格控制浓度、流量、温度及应力等参数，因此工艺相当复杂。
在梯度功能材料制备研究方面，目前应用的主要制备技术有粉末冶金法、气相沉积法、自蔓延高温合成、热喷涂和铸造法等。
由于梯度功能材料是一种全新的材料，其性能沿某一方向连续变化及功能的多样性，使现有的材料评价的基本原理、测试手段对其不再适用。
梯度功能材料性能评价的目的主要是为进一步优化成分设计，为成分设计数据子库提供实验数据。
目前，梯度功能材料性能评价有定量化试验、热冲击试验、机械强度试验和热疲劳试验等，但评价技术水平还停留在梯度功能材料的物性值实验测定等基础性工作上。
日本在梯度功能材料方面的研究起步较早，日本科技厅于1987年就批准了一个为期五年的关于fgm的研究项目——热应力缓和型梯度功能材料开发基础研究，解决了航天飞机中受2000 k和1000 k 温差的机体和发动机耐热部件的材料问题。
日本在梯度功能材料领域发展速度很快，只用了20年左右的时间就迅速在世界梯度功能材料的生产和应用研究领域占据了非常重要的地位。
目前，据不完全统计，日本至少有四十家左右的公司都在进行梯度功能材料的开发与研究。
基于增材制造的功能梯度材料及其结构研究综述一、引言在当今科技高速发展的时代，材料科学领域的突破性进展一直备受瞩目。
其中，基于增材制造的功能梯度材料的研究和应用日益成为热点话题。
功能梯度材料是指材料中具有不同性能和功能的梯度结构，而增材制造则是一种通过逐层堆积材料来制造目标构件的先进制造技术。
结合二者所带来的潜力和优势，这一研究方向正在逐渐成为学界和工业界共同关注的领域。
二、功能梯度材料的概念和特点功能梯度材料具有以下几个显著特点：它们不同部分材料的性能和功能呈现逐渐变化的梯度结构，因而可以满足多种复杂应变场下的工程需求；功能梯度材料在材料设计和加工方面具有灵活性和设计空间大等特征，使得它们能够以更加高效和经济的方式满足设计要求；它们多样的功能和性能特征，使得功能梯度材料在航空航天、生物医学、能源等领域具有广泛的应用前景。
三、增材制造技术及其在功能梯度材料中的应用增材制造技术的发展为功能梯度材料的制备提供了强有力的技术支持。
通过激光熔化、电子束熔化、熔融沉积等增材制造技术，可以在微观尺度上实现材料成分和结构的精细控制。
这种精细控制使得功能梯度材料的制备变得更加灵活多样。
各种增材制造技术也在实际中得到了广泛的应用，例如在制造航空发动机叶片、医用植入物等方面发挥了重要作用。
四、功能梯度材料结构设计的理论基础和方法功能梯度材料结构设计的过程包括对材料性能和功能的分析、对材料力学和工程行为的预测、以及结构与性能之间的关联性研究等多个方面。
还需要考虑增材制造工艺本身对材料性能和结构的影响。
通过结构设计，可以最大限度地发挥功能梯度材料的优势和特性，以满足不同应用环境和工程要求。
五、功能梯度材料在航空航天领域的应用航空航天领域对材料性能和结构要求极高，这也使得功能梯度材料的应用成为研究的重点之一。
在航空发动机、卫星构件、航天器部件等方面，功能梯度材料因其独特的适应性和性能优势而备受青睐。
通过增材制造技术，可以实现航空发动机叶片的复杂结构和高温耐久性，进而提高整机的性能和可靠性。
课程论文学院：化学与材料科学学院专业：材料化学梯度复合材料摘要：梯度复合材料，是一种结构组成沿厚度方向阶梯性变化的材料，导致材料的不同部位具有不同的使用性能，以便于更加适合材料的工作环境，是一种新型的复合材料。
梯度复合材料结构和性能的可控性使其广泛应用于航空航天、计算机线路板、装甲以及光学仪器等领域，因此对梯度复合材料的研究日益重要。
本文将详细介绍梯度复合材料的现状、性能、制备及其应用与发展等方面。
关键词：梯度复合材料；性能可变性；制备；应用正文：1、梯度复合材料的研究背景1.1梯度复合材料的由来早在大自然中，就出现了很多典型的梯度复合材料，比如岩石、竹子和人类与动物的骨骼，只不过相对于这些植物，人类的骨骼是一种“智能”梯度复合材料，他们能根据环境的变化产生相应的结构性能变化，而竹子或人造梯度复合材料是不同的部位有不同的结构，能承受的应力不同，性能也不尽相同，缺乏智能性。
上个世纪，随着航空航天的发展，人们对材料的要求也越来越高，而材料的隔热成为了航空航天材料最大的问题。
特殊的服役环境使一般的材料面临着高温和较大的温度梯度的挑战。
针对这个问题，日本科学家新野正等人在1987年首次提出“功能梯度复合材料”的概念，即functionally graded materials简称FGM。
1.2梯度复合材料的介绍梯度复合材料的定义为：以计算机辅助设计为基础，采用先进的材料制备技术，使材料的组成、结构沿厚度方向呈梯度变化，从而使材料的性能也呈梯度变化的一种材料。
与普通材料不同，它是选用两种（或多种）性能不同的材料，通过连续地改变这两种（或多种）材料的组成和结构，来使材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能复合材料。
正因为它的性能可控性、可设计性和可变性，使得梯度复合材料具有巨大的应用前景。
下图即为材料的示意图，他可以连接两种不相容的材料，提高粘结强度，消除不同材料之间的残余应力和裂纹驱动力，消除不同材料的交叉点，并使得功能和性能因为内部位置不同而不同，从而使性能实现梯度变化。
梯度功能材料
梯度功能材料是一种具有不同特性、性能或结构的材料。
它可以被设计成具有不同的物理、化学和力学性质，以满足特定应用的要求。
梯度功能材料的研究和应用已经在众多领域中取得了重要的突破，如电子器件、光学器件、医学器械等。
首先，梯度功能材料在电子器件领域有着广泛的应用。
传统的材料在电子器件中往往具有均匀的结构和性能，然而，在某些情况下，需要在同一材料中实现不同的电学性质。
梯度功能材料的研究可以实现局部性能的控制，从而在电子器件的制作中提供更好的功能性和性能。
其次，梯度功能材料在光学器件中也具有重要的应用价值。
光学器件的设计和制造往往依赖于不同材料之间的界面效应，而梯度功能材料可以提供更好的界面适配性和光学性能。
例如，在光学透镜中，通过调控梯度功能材料的光学性质，可以实现对光束的聚焦和分散，从而实现更好的成像效果。
此外，梯度功能材料在医学器械领域也有着广泛的应用。
随着医学技术的不断发展，对材料在医学器械中的要求也越来越高。
梯度功能材料可以在同一材料中实现多种性质，例如生物相容性、机械强度等，从而提高医学器械的性能和可靠性。
例如，在人工骨骼和关节假体的制作中，梯度功能材料可以实现与真实骨骼和关节更好的兼容性，减少植入体对人体的不良反应。
总的来说，梯度功能材料在各个领域中都具有重要的应用价值。
它可以实现在同一材料中多种性质的控制，提高材料的功能性
和性能。
随着科学技术的不断发展，相信梯度功能材料将在更多领域中得到应用，为人们的生活带来更多的便利和创新。
End。
梯度陶瓷材料的制备及其性能研究引言：梯度材料是指材料内各属性的连续变化，其在材料界面处逐渐过渡，没有明显的界限。
梯度材料的研究和应用已经引起了广泛关注，尤其是在陶瓷材料领域。
本文将介绍梯度陶瓷材料的制备方法以及对其性能的研究。
一、梯度陶瓷材料的制备方法1.1 化学法制备化学法是一种常见的梯度陶瓷材料制备方法。
它主要通过控制材料反应过程中的反应物浓度或者温度来实现材料性能的梯度调控。
例如，可以通过溶胶-凝胶法来制备梯度陶瓷材料。
溶胶-凝胶法利用溶胶独特的凝胶化过程，通过连续的凝胶浓度梯度形成材料性能的梯度。
1.2 机械法制备机械法是一种利用机械力来实现材料性能梯度调控的方法。
常见的机械法制备方法包括层叠法、堆砌法等。
层叠法是通过层层重叠的材料片层来构建材料性能梯度的方法。
堆砌法则是将不同性能的陶瓷材料粉末按一定顺序堆叠，经过压制和烧结形成材料性能梯度。
1.3 生物法制备生物法是一种利用生物体的特殊功能来实现材料性能梯度的方法。
例如，利用细胞自组装技术可以实现陶瓷材料的梯度生长。
通过对细胞在不同环境中的反应和功能调控，可以使陶瓷材料在生物体内具有梯度性能。
二、梯度陶瓷材料的性能研究2.1 结构与力学性能梯度陶瓷材料的结构和力学性能是研究的重点之一。
通过对梯度陶瓷材料的结构和力学性能进行研究，可以了解梯度材料的内部结构特征以及其力学性能随梯度的变化规律。
例如，研究梯度陶瓷材料的硬度、弹性模量等力学性能变化规律，可以为梯度陶瓷材料的应用提供基础数据。
2.2 电学性能梯度陶瓷材料在电学性能方面的研究也是非常重要的。
通过对梯度陶瓷材料的电学性能进行研究，可以了解材料的导电性能、介电常数等电学性能随着梯度的变化规律。
这对于梯度陶瓷材料在电子器件、储能器件等领域的应用具有重要意义。
2.3 热学性能研究梯度陶瓷材料的热学性能也是必不可少的。
热学性能包括导热性能、热膨胀系数等。
通过对梯度陶瓷材料的热学性能的研究，可以了解材料在不同温度下的热膨胀行为以及导热性能的变化规律。
功能梯度材料的设计功能梯度材料（Functionally Graded Materials，简称FGMs）是一种具有特殊结构和性能的材料，其组成成分和性质在空间上呈连续变化。
功能梯度材料的设计旨在通过合理调控材料的组成和结构，实现在不同位置具有不同性能的材料。
本文将介绍功能梯度材料的设计原理和方法，并探讨其在工程领域的应用。
一、功能梯度材料的设计原理功能梯度材料的设计原理基于材料的组成和结构的变化。
通过在材料内部逐渐改变组成和结构，可以实现材料性能的梯度变化。
常见的功能梯度材料设计原理包括以下几种：1. 成分梯度设计：通过在材料内部逐渐改变成分比例，实现材料性能的梯度变化。
例如，在金属材料中，可以通过在合金中逐渐改变不同金属元素的含量，实现硬度、强度等性能的梯度变化。
2. 结构梯度设计：通过在材料内部逐渐改变结构特征，实现材料性能的梯度变化。
例如，在陶瓷材料中，可以通过在材料内部逐渐改变晶粒尺寸、晶界密度等结构参数，实现热导率、抗磨损性等性能的梯度变化。
3. 复合梯度设计：将成分梯度和结构梯度相结合，实现材料性能的复合梯度变化。
例如，在复合材料中，可以通过在不同层次上逐渐改变纤维含量、纤维方向等成分和结构参数，实现强度、刚度等性能的复合梯度变化。
二、功能梯度材料的设计方法功能梯度材料的设计方法主要包括以下几种：1. 渐变比例法：通过逐渐改变材料中不同成分的比例，实现材料性能的梯度变化。
这种方法可以通过合金熔炼、粉末冶金等工艺实现。
2. 渐变结构法：通过逐渐改变材料的结构特征，实现材料性能的梯度变化。
这种方法可以通过热处理、机械加工等工艺实现。
3. 复合设计法：将不同材料组合在一起，形成复合材料，实现材料性能的复合梯度变化。
这种方法可以通过层压、热压等工艺实现。
三、功能梯度材料的应用功能梯度材料在工程领域有着广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：1. 航空航天领域：功能梯度材料可以用于制造航空发动机叶片、航天器外壳等部件，提高其耐高温、抗磨损等性能。
梯度功能材料的发展和应用
梯度功能材料是新一代的材料，具有逐渐变化的物理性质能够同时响应多种刺激，使
其在传感器、能源存储和发电、药物、智能结构与太空技术领域等方面有着广泛的应用。
梯度材料具有分层结构，通过各层之间的组合来控制特定的性质及其特定的物理性能而不
影响它们之间的耦合，使其可以根据刺激而发挥多种功能。
梯度功能材料表现出多态性、稳定性和可操纵性，以较低的成本实现功能，展现新颖
的性能，从而弥补标准材料的不足。
目前，梯度功能材料已经发展出了从轻质、多功能到
结构可控制的复合材料，为改善单一材料的功能和性能提供了可能。
它们在传感器领域不
但可以改善既有的传感器系统，而且可以开发新的传感器，以检测新的参数；在能源存储
与发电领域，它们可以增强电池系统的容量，优化其表征，以提高发电效率；同样，它们
也可以应用于药物分离和监测，或与智能结构结合以使材料具有复杂的变形机制等。
此外，在太空技术方面，梯度功能材料可以改善太空探索的可靠性，并有助于各种太空器件的物
理参数和结构参数的自我调节和故障检测。
梯度功能材料的发展和应用具有广泛的前景，它们的应用可以提高当前技术的效率和
性能，从而使我们的生活变得更加安全、便捷和舒适。
它们在节能环保、社会可持续发展
等领域也具有重要价值，以及抗灾能力及其他创新类型材料方面更大的可能性，如热消除、催化和电化学器件、以及其他生物非活性和功能表面技术等等。
由于梯度功能材料在与技
术应用中的实现，尤其是人工智能、无人机、机器人等发展有着千丝万缕的联系，将来的
发展更加广阔。
——学科前沿知识讲座论文学科前沿知识讲座论文——梯度功能材料的制备与应用及其发展状况姓名:李振学号:08132213班级:材料物理08-2日期:2011年10月22日梯度功能材料的制备与应用及其发展状况李振(中国石油大学(华东理学院材料物理08-2,青岛,266555摘要:近年来,梯度功能材料(Functionally Gradient Materials,FGM由于其优异的性能和特殊的功能,得到了迅速发展,展现出极大的应用价值。
FGM的制备方法主要有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、气相沉积法、自蔓延高温燃烧法等。
FGM在航空航天、机械工程、电磁工程、生物工程、核能和电气工程等领域都有广泛的应用。
文章综述了FGM的制备方法、在各领域的应用以及发展现状,对未来的发展做了一些展望。
关键词:梯度功能材料;制备方法;应用;发展前景1前言一般复合材料中分散相是均匀分布的,材料的整体性能是同一的,但在有些情况下,人们常常希望同一件材料的两侧具有不同的性质或功能,又希望不同性能的两侧结合完美,从而不至于在苛刻的使用条件下因性能不匹配而发生破坏[1]。
梯度功能材料(Functionally Gradient Materials,简称FGM就是这样一种材料,是指通过连续(或准连续地改变两种材料的结构、组成、密度等因素,使其内部界面减少乃至消失,从而得到能相应于组成与结构的变化而性能渐变的新型非均质复合材料[2-3]。
目前,梯度功能材料的主要制备方法有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、气相沉积法、自蔓延高温燃烧合成法等[4]。
在航空航天工程、机械工程、电磁工程、生物工程、核能及电气工程等领域都有广泛的应用。
本文综述了梯度功能材料的不同制备方法及各自特点、应用及研究现状,并对其发展前景进行了讨论。
2梯度功能材料制备方法2.1粉末冶金法(PMPM法是将10μm~100μm粒径的粉末(金属、陶瓷充分混合,按组分梯度分层填充或连续成分控制填充,压实后烧结制备FGM[5]。
PM法具有设备简单、易于操作、成本低等优点,但需要对烧结温度、保温时间和冷却速度等工艺进行严格控制。
2.2等离子喷涂法等离子喷涂法是将原料粉末送至等离子射流中,以熔融状态状态直接喷射到基材上形成涂层[4]。
该方法使用粉末作喷涂材料,以气体作载体将粉末吹入等离子射流中,依靠等离子弧将粉末熔化,熔融的粒子被进一步加速,然后以极高的速度打在经过净化和粗化处理的基材表面,产生强烈的塑性变形,相互挤嵌、填塞,形成扁平的层状结构涂层。
喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分和组织,获得FGM涂层。
具有沉积速度快、无需烧结、不受基材截面积大小的限制等优点,尤其适合于大面积表面热障FGM涂层。
2.3激光熔覆法激光熔覆法是随着激光技术的发展而产生的一种新兴的材料制备的方法。
采用高能激光束作为热源辐照基材表面,同时将原料粉末送至基材表面。
原料粉末和基材在激光束作用下共同融化,生成合金相。
改变原料粉末成分含量,重复上述过程,即可获得具有一定梯度的材料。
激光熔覆技术具有很多优点:可以通过混合不同合金粉末进行成分设计,得到完全致密的冶金结合覆层;熔覆层稀释度小,且可精确控制;由于快速加热和冷却过程,激光熔覆层组织均匀致密,微观缺陷少,性能优于其他工艺生产的复合层性能[6]。
该工艺工作快速,但设备成本较高。
2.4气相沉积法气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术,按机理的不同分为物理气相沉积(PVD和化学气相沉积(CVD两类。
2.4.1物理气相沉积(PVD物理气相沉积技术是真空沉积加工中的一个大分支,它是利用蒸发或溅射等物理形式把金属从靶源移走,然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸气粒子沉积到基片或零件的表面以形成膜层。
反应式采用的是与靶源材料性质相同的物质,并按一定的反应要求注入某种气体(例如氮、氧和碳氢化合物气体,使沉积过程起反应而生成化合物膜层[7]。
利用物理气相沉积法,通过改变蒸发源可以合成多层不同的膜。
PVD法沉积温度低,对基材热影响小,但沉积速率低,且不能连续控制成分分布。
2.4.2化学气相沉积(CVDCVD法制备FGM是通过赋予原料气体不同的能量,在反应器中进行混合,使其产生化学反应而生成固相的膜沉积在基体上。
CVD法的优点在于容易实现分散相浓度的连续变化,可使用多元系的原料气体合成复杂的化合物。
采用喷嘴导入气体,能以1mm/h以上的速度成膜,通过选择合成温度,调节原料气流量和压力来控制梯度沉积膜的组成与结构[2]。
2.5自蔓延高温燃烧合成法自蔓延高温燃烧合成法是一种合成材料的新工艺,它通过加热原料粉局部区域激发引燃反应,反应放出的大量热量依次诱发邻近层的化学反应,从而使反应自动持续地蔓延下去。
具有纯度高、效率高、耗能少、工艺简单等优点。
3梯度功能材料的应用3.1航空航天工程中的应用在航空航天工程中,推进系统发动机中的燃烧气体通常要超过2000℃,对燃烧室壁会产生强烈的热冲击;燃烧室壁的另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用,通常在-200℃左右[1]。
这样,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极低的温度,一般材料不能满足这一要求。
金属/陶瓷梯度功能材料很好地解决了这一问题,在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化,使两种材料之间不出现界面,从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较好的新功能。
3.2机械工程中的应用基于均值轴承存在着的极限PV值低与使用寿命短两大缺点,设计了梯度自润滑轴承,它通过往基体中添加PbCO3粉末,形成PbCO3/Fe合金粉配比的梯度分布,在烧结过程中PbCO3受热分解产生CO2气体,从而留下孔隙,PbCO3含量不同孔隙率也就不同,轴承的支承面为100%金属,孔隙率最小,而强度最大,摩擦面上为100%PbCO3,孔隙率最大,可以储存更多的润滑剂来维持轴承的自润滑状态。
同时PbCO3分解生成的PbO本身也是一种优良的固体润滑剂。
因此,梯度自润滑轴承与一般的均质含油自润滑轴承相比,极限PV值由2.0MPa·m/s提高到4.0MPa·m/s,使用寿命也提高2倍多。
硬质合金是一种具有高硬度、高强度、耐磨性、耐蚀性和膨胀系数小等一系列优良性能的材料。
在机械工业中广泛应用,如切削刀具、矿山的凿岩工具等,但该材料固有的硬脆性与使用过程中要求有良好的韧性存在矛盾,已成为制约这种材料进一步扩大使用的关键因素。
然而FGM概念使欧美等先进硬质合金生产厂家先后研究出梯度硬质合金,改变了传统硬质合金WC/Co比例不变的模式,其表现为表层Co含量低、硬度高、耐磨性好,而芯部Co含量高、强度大、冲击韧性更好,使合金的强度与韧性得到了很好的协调,当使用这种梯度硬质合金制成凿岩钻齿时,其工作寿命比传统均质硬质合金钻齿提高了3倍[8]。
有研究使用粉末冶金法制得的Al-Si基梯度轻质合金可以大大提高材料的耐磨性[9]。
3.3电磁工程中的应用在电磁工程中,梯度材料具有许多优异的性质,有的能抑制瞬间电流的放大作用,有的剩磁更低,主要用于制作磁盘、永磁体、振荡器等,可以提高产品性能。
3.4生物工程中的应用在生物工程中,许多梯度材料被用作制造牙齿、骨骼、关节、器官和仿生工程制品,具有高的比强度和比模量[10]。
3.5核能及电气工程中的应用在核能及电气工程中,梯度热电能转换材料用作高能热电源热电变换元件、集热器、热发射元件、辐射加热器、发热吸收装置等,具有高的热传导率,高的辐射放热率。
对称型梯度热电材料不仅具有高的热传导率、电绝缘性和优异的平面内导电率,而且具有高的热电转换效率。
梯度耐辐射材料应用于核聚变反应器,具有良好的热应力缓和效率[5]。
4梯度功能材料发展现状及展望4.1梯度功能材料发展现状1984年,日本科学家平井敏雄首先提出了梯度功能材料的新设想和新概念,并展开研究[1]。
日本科学家在1987-1991年的“开发缓和热应力的FGM基础技术研究”项目中,成功地利用这一思想开发出用于日本HOPE卫星小推力火箭引擎用的缓和热应力耐高温材料[11]。
虽然FGM产生的时间并不长,但它很快引起世界各国科学家的极大兴趣和关注。
日本、美国、德国、英国、瑞士等国家都相继开展了FGM 的研究[12]。
我国许多高校及科研院所也相继开展了这方面的研究工作,我国梯度功能材料的研究开发起步较晚,研究手段和方法还不完善,但已取得较大进展。
4.2梯度功能材料研究展望梯度功能材料产生二十多年来,取得了快速的发展,但目前仍处在较低水平阶段。
尤其是国内,在这方面研究起步较晚,总体比较落后,针对性应用目标的研究还不多。
梯度功能材料从研究制备到实际应用还有很多难题要解决。
其发展趋势主要有以下几点。
(1梯度材料设计的数据库(包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等[13]还需要极大地补充、收集和归纳、整理、完善;(2开发大尺寸和复杂形状的FG M制备技术,因为工程中往往需要大型FGM,美国和日本把对大尺寸FG M的开发作为其重要的开发目标[4];(3高分子梯度功能材料的研究。
目前有关梯度材料的研究和应用主要局限于金属、陶瓷及其它无机小分子复合材料领域[14],而高分子梯度功能材料的研究,国内却几乎是一片空白[15]。
高分子材料作为材料学科的重要分支,必将为梯度功能材料的研究发展提供新的思路;(4梯度功能材料成分的精确控制与检测。
利用计算机实时监控梯度功能材料的制备过程,精确控制和测定材料的成分梯度,对产品性能的提高和实际科研应用价值都有很大的帮助。
例如已有研究,用计算机对Al/SiC梯度功能材料进行数值模拟分析,预测评价具有不同梯度的材料相关性质[16];(5梯度功能材料实用化推广,实现理论研究向实际应用的转化。
5结语梯度功能材料的研究还处在较初级的阶段,但它展示出来的巨大的科研和应用价值促使其迅速发展。
梯度功能材料的开发制备已经成为当今材料科学研究中非常重要的一部分,尤其是基于其优异的性能和特殊的功能,在功能材料、新材料领域展现出十分广阔的发展前景。
材料对社会发展和科技进步有着至关重要的作用,作为材料领域中的一员,梯度功能材料必将极大地推进社会科技进步,促进整个国民经济的发展。
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