梯度功能材料的制备与应用及其发展状况.
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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(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[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(CVD
CVD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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功能高分子材料
上海大学2015～2016学年冬季学期研究生课程报告课程名称：功能高分子材料课程编号：11S009005 论文题目:TPU防水透湿薄膜的研究进展 研究生姓名: 汪胜学号: 15722180 论文评语: 成绩: 任课教师: 陈捷贾少晋 评阅日期:
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功能高分子材料综述 【文摘】功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支，它是研究各种功能性高分子材料的分子设计和合成、结构和性能关系以及作为新材料的应用技术，它的重要性在于所包含的每一类高分子都具有特殊的功能。它主要包括化学功能高分子材料、光功能高分子材料、电、磁功能高分子材料、声功能高分子材料、高分子液晶、医用高分子材料几部分，这一领域的研究主要包括研究分子结构、组成与形成各种特殊功能的关系，也就是从宏观乃至深入到微观，以及从半定量深入到定量，从化学组成和结构原理来阐述特殊功能的规律性，从而探索和合成出新的功能性材料。本文主要论述了在工程上应用较广和具有重要应用价值的一些功能高分子材料，如吸附分离功能高分子、反应型功能高分子、光功能高分子、电功能高分子、医用功能高分子、液晶高分子、高分子功能膜材料等。 【关键词】材料；高分子；高分子材料；功能材料； 功能高分子材料的定义为：与常规聚合物相比具有明显不同的物理化学性质，并具有某些特殊功能的聚合物大分子(主要指全人工和半人工合成的聚合物)都应归属于功能高分子材料范畴。而以这些材料为研究对象，研究它们的结构组成、构效关系、制备方法，以及开发应用的科学，应称为功能高分子材料科学。 功能高分子材料科学是研究功能高分子材料规律的科学，是高分子材料科学领域发展最为迅速，与其他科学领域交叉度最高的一个研究领域。它是建立在高分子化学、高分子物理等相关学科的基础之上，并与物理学、医学甚至生物学密切联系的一门学科。功能高分子材料是对物质、能量、信息具有传输、
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功能梯度材料分层法研究 摘要 功能梯度材料具有随空间位置呈梯度变化的材料属性，这一性能引起了材料科学家和工程师研究的兴趣。基于分层法，将功能梯度材料平面结构划分成若干层，每层的材料参数按函数形式变化。在此分层模型基础上得到同一层的材料参数为常数，然后各层按照常规的有限元方法进行网格划分，建立有限元模型进行功能梯度材料平面结构的力学分析。通过设计组分材料弹性模量的三种工况，讨论了弹性模量梯度系数对有限元计算结果的影响，有一定的误差。 于是引入线性分层法，该模型基于任意一条连续曲线可用一系列的分片连续直线段来逼近的事实，将梯度材料层分成若干子层，在各子层界面处材料参数连续并且等于实际值。将此模型应用于实际问题推导，我们发现与指数模型结果吻合的很好。 关键词：功能梯度材料；分层法；梯度系数；线性分层法 1 FGM研究背景 FGM概念是在1984年前后，由在日本仙台地区的二位材料科学家，日本航天技术研究所的新野正之博士、东北大学的平井敏雄教授和渡边龙三教授首先提出的。当初提出FGM概念的目的是为了解决在设计制造新一代航天飞机的热保护系统中出现的许多问题。据估计，航天飞机工作时，机体外部有些部位最高温度将达1800℃，因此对航天飞机表面的材料要求是要能耐高达1800℃的温度和1600℃的温度落差。已知的工业材料没有能忍受如此苛刻的热机负载的，能用于这种环境条件的材料必须具备以下三个特征:材料的高温表面层能耐热和抗氧化,低温侧具有力学韧性及整个材料中能有效地缓和热应力。面对这种材料要求,FGM这一新概念被提了出来。 这种新材料的高温侧是能耐热的陶瓷,低温侧是具有高热导率的韧性金属,并具有从陶瓷到金属的梯度成分变化。这种FGM的特征其热膨胀系数可以通过控制两个表面之间的成分、微结构、微孔的比率来加以调节。FGM概念一提出就受到日本和世界材料界的高度重视。日本科技厅授予此概念的发明者特别奖。FGM也被列入各种国际国内会议的报告范围。 1.1 FGM定义及原理
梯度功能材料讲稿
梯度功能材料 一、引言 许多结构件会遇到各种服役条件，因此，要求材料的性能应随构件中的位置而不同。例如，民用或军用刀具都只需其刃部坚硬，其它部位需要具有高强度和韧性；一个齿轮轮体必须有好的韧性，而其表面则必须坚硬和耐磨；涡轮叶片的主体必须高强度、高韧性和抗蠕变，而它的外表面必须耐热和抗氧化。诸如此类，可以发现现在应用的许多材料都是属于这个范畴。众所周知，构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集中，无论该应力是内部的还是外加的。但人们同样知道，如果从一种材料过渡到另一种材料是逐步进行的，这些应力集中就会大大地降低。为了减少材料的应力集中，提高材料的性能，人们发展了一种新型的功能梯度材料(Functionaily Gradient Materials，简称FGM)。虽然FGM 产生的时间不长，但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、俄罗斯、英国、法国、瑞士等许多国家相继开展FGM的研究。其应用已扩展到宇航．核能源、电工材料、光学工程、化学工业、生物医学工程等各个领域中。 二、梯度功能材料的发展 梯度功能材料(FGM)是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚合物等)一体的新型材料，其结构、物性参数和物理、化学、生物等单一或综合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能。 梯度功能材料其实早就出现在自然界中。神奇的大自然早制造出多种梯度材料。例如，竹子是一种典型的梯度功能材料，人类和动物身体中的骨骼也是一种梯度材料，其特点是结构中的最强单元承受最高的应力。但是，在生命体中的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大的差异。有生命的“FGMs”也是“有智能的”，它们能够感受所处环境的变化(包括局部的应力集中)，产生相应的结构修改，而人造梯度材料至少在目前还缺乏这种功能。 人造梯度功能材料并不是新的事物，只不过人们没有意识到而已。人类制造的钢制器件实质就是一种功能梯度材料。1900年，美国的伍德用明胶作成了光折射率沿径向连续变化的圆柱棒，称之为梯度折射材料。由于制作工艺没有解决，未能得到实际应用，没有引起人们的注意。1969年，日本板玻璃公司的北野等人用离子交换工艺制成玻璃梯度折射棒材和光纤，达到了实用水平，梯度折射率材料的研究才迅速发展起来，研究的国家也从美国和日本扩展到二十几个国家。 1972年，Bever和Duwez提出了功能梯度这个概念。功能梯度材料作为一个规范化正式概念于1984由日本国力宇航实验室提出。由于航天飞机中，燃烧室内外表面的温差达到1000K以上，普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。一系列政府报告论述了日本在以太空飞机为重点的航天研究中所预计的材料需求，结论是鉴于对高温结构件的许多严格要求，需要在结构中仔细地引入成分和微观结构梯度，不但能最全面地利用已有材料去生产所需要的构件，还能避免由于外加应力或温度变化而在不同材料的锐利界面上引起的应力和(或)应变集中。1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出使金属和陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连续性变化的热防护梯度功能材料的概念。同年，日本科技厅制定了有关FGMs的一项庞大计划，主要研究一边处于冷却而另一边处于炙热环境下的部件的特殊要求。1990
功能高分子材料
第一章绪论 性能：材料对外部作用的抵抗特性。 高性能高分子材料：对外部作用有特别强的抵抗能力的高分子材料。 功能高分子材料：是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出响应的高分子材料。(具有特殊物理化学性质的的材料) 通用（常规）高分子材料：应用面广、量大，价格较低。 eg：纤维、塑料、橡胶、涂料、粘合剂。 特种高分子材料：功能高分子材料属于特种高分子材料 最早的功能高分子是合成的酚醛型离子交换树脂。 一般采用按其性质、功能或实际用途对功能高分子材料进行分类： 1. 反应型高分子材料（包括高分子试剂、高分子催化剂等；） 2. 光敏型高分子（包括光稳定剂、光刻胶、光致变色材料等。） 3. 电性能高分子材料（包括导电聚合物、能量转换型聚合物、电致发光和电致变色材料以及其他电敏感性材料等。） 4. 高分子分离材料（包括各种分离膜、缓释膜和其他半透性，膜材料、离子交换树脂、高分子螯合剂、高分子絮凝剂等。） 5. 高分子吸附材料（高分子吸附性树脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。） 6. 高分子智能材料(高分子记忆材料、信息存储材料和光、磁、pH、压力感应材料等。) 7. 医药用高分子材料(医用高分子材料、药用高分子材料和医药用辅助材料等。) 8. 高性能工程材料(高分子液晶材料，耐高温高分子材料、高强高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能纤维材料、生物降解高分子等。) ！！！功能高分子材料的制备策略 功能型小分子材料的高分子化、 已有高分子材料的功能化、 多功能材料的复合。 功能型小分子材料的高分子化的实现途径： ①化学键连接的化学方法，如共聚、均聚等（举例1：丙烯酸，可用于制备离子交换树脂、高吸水性树脂等。举例2：含双键的环氧丙烯酸酯，广泛用于制备功能性粘合剂。） ②物理方法，如共混、吸附、包埋等。（维生素C微胶囊） （1）带有功能型基团可聚合单体的聚合法——包括两步骤。 （a）在功能性小分子中引入可聚合基团，或在含有可聚合基团单体中引入功能性基团； (b）进行均聚或共聚反应生成功能聚合物。 通过聚合法制备功能高分子材料的特点： 优点：可使生成的功能高分子功能基分布均匀，聚合物结构可通过聚合机理预先设计，产物稳定性较好。 缺点：(1) 在功能性小分子中需要引入可聚合基团，而这种引入常常需要复杂的合成反应；(2) 引入功能基后可能对单体聚合的活性有影响。(3)当引入的功能基不稳定时需要加以保护。（4）引入功能基后可能会对单体聚合活性产生影响。 通过聚合包埋法制备功能高分子材料的特点： 该方法利用所生成高分子的束缚作用将功能性小分子以某种形式包埋固定在高分子材料中。
梯度功能材料
题目：梯度功能材料 报告人: 朱景川教授 时间：2006年5月13日 8：30-11：30 近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展。究其原因,一方面是因为各个学科的交叉渗透,引入了新理论方法及实验技术;另一方面是因为实际应用的迫切需要而对材料提出了新的要求。功能梯度材料(functionally gradient material ,FGM) 即是这方面一个很好的事例。它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。下面综述了这方面的研究现状,同时对其将来可能的发展趋势进行了讨论。 梯度功能材料是一种新型的功能复合材料它的两侧由不同性能的材料组成中间部分的组成和结构连续地呈梯度变化从而使材料的性质和功能也沿厚度方向呈梯度变化克服了不同材料结合的性能不匹配因素使两种材料的优势都得到充分发挥。 1 功能梯度材料的设计 复合材料已在工程中得到广泛应用,然而传统的复合材料,由于由两种或以上的不同均匀材料结合在一起而存在明显的界面,因此材料的物性参数如弹性模量、热膨胀系数在该处不匹配,从而使得界面容易成为失效的源泉,界面设计也就成为复合材料设计的重要课题。另一方面随着现代科学技术的进步,超音速航天飞机、超音速民用交通、现代航天飞行器以及下一代电力系统装置都对材料的设计与应用提出了新的要求。例如航天飞机的发展就面临许多技术问题,特别在先进隔热材料方面,通常使用的陶瓷复合材料弥散强化陶瓷,已经无法承受由于航天飞行环境中极端的温度梯度引起的高热应力。 FGM 的设计一般采用逆设计系统即根据使用条件和性能要求对材料的组成和结构的梯度分布进行设计。以热应力缓和型耐热材料为例根据指定的材料结构、形状及受热环境得出热力学边界条件从已有材料合成及性能的知识库中选择有可能合成的材料组合体系及制备方法再用热弹性理论及计算数学方法对选定材料体系组成的梯度分布函数进行温度分布模拟和热应力模拟寻求达到最大功能的组成分布指数。 为了解决这类问题,日本材料学家新野正之(MasyuhiNINO) 、平井敏雄( ToshioHIRA)和渡边龙三(RyuzoWATANBE)等在20世纪80年代中后期提出了功能梯度材料的概念。功能梯度材料的研究开发最早始于1987年日本科学技术厅的一项“关于开发缓和热应力的功能梯度材料的基础技术研究”计划。所谓功能梯度材料是根据使用要求,选择使用两种不同性能的材料,采用先进的材料复合技术,使中间的组成和结构连续呈梯度变化,内部不存在明显的界面,从而使材料的性质和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。也就是材料组分在一定的空间方向上连续变化的一种复合材料。由于功能梯度材料的这种特点,因此它能有效地克服传统复合材料的不足。
甲基丙烯酸HA+DTT光交联制备梯度材料
Spatially controlled hydrogel mechanics to modulate stem cell interactions Ross A.Marklein and Jason A.Burdick * Received 17th August 2009,Accepted 29th September 2009 First published as an Advance Article on the web 27th October 2009DOI:10.1039/b916933d Local control of the stem cell microenvironment with biomaterial design is of critical importance for tissue engineering.Matrix mechanics is one aspect of biomaterial design that has received considerable attention recently due to the effect of mechanics on stem cell proliferation,morphology,and differentiation.In order to investigate the effect of locally controlled mechanics on human mesenchymal stem cells (hMSCs),a sequentially crosslinked hyaluronic acid hydrogel system was developed that permits spatial patterning of mechanics (distinct patterns and gradients).Methacrylated hyaluronic acid was synthesized to allow for crosslinking via both Michael-type addition using a dithiol and radical polymerization using light.By varying the initial methacrylate consumption through addition crosslinking,restricting UV light to speci?ed regions,and varying UV exposure time,a wide range of mechanics (from $3kPa to $100kPa)was possible in both uniform and patterned hydrogels.hMSCs exhibited increased spreading and proliferation on stiffer gels compared to cells cultured on softer gels.Furthermore,cells grown on gels with patterned mechanics exhibited spreading and proliferation behavior that correlated with the local mechanics.This method to spatially control matrix mechanics represents a novel hydrogel system to tune the stem cell microenvironment. Introduction The ability of stem cells to interact with and respond to their environment is being increasingly investigated both in native tissues and in synthetic systems.1For example,it is now clear that cells respond to the mechanical properties of their surroundings,which was originally investigated in somatic cells such as ?bro-blasts and endothelial cells 2,3and more recently in stem cells,including the effects of mechanics in specifying lineage commitment.4Native tissues can vary in stiffness (e.g.,0.1–1kPa in brain tissue,$10kPa in relaxed muscle,and >30kPa for pre-mineralized bone 5)and stem cells differentiate down tissue speci?c lineages based on these properties.6,7Thus,a clear understanding of this behavior may be useful in the design of materials for applications in tissue engineering or for better understanding of cellular behavior in disease states.For instance,stem cells in ?brotic myocardium after injury,where mechanics are greater than in healthy tissue,may differentiate and miner-alize their surrounding matrix.8 Tissue engineering strategies have begun to incorporate matrix mechanics as a means to control stem cell behavior,including morphology,proliferation,and extracellular matrix (ECM)secretion.9Coupled with other differentiation cues such as growth factors or adhesive ligands,an engineered biomimetic approach to tissue repair and regeneration may be possible by controlling the inherent mechanical properties of the engineered scaffold.However,one limitation of current biomaterial systems used in these investigations is the inability to spatially control the network properties of the scaffold.Due to the heterogeneous nature of tissues,it is necessary to design scaffolds that re?ect these differences in spatial and temporal matrix properties in order to facilitate proper cell behavior and tissue integration.Spatial differences in local mechanics are also relevant in certain pathologies 10,11and wound healing processes,8,12and therefore the characterization and understanding of cell responses to these complex microenvironments are critical for better understanding of fundamental stem cell behavior and developing an effective tissue engineering strategy. Only a few examples exist where hydrogel properties are controlled spatially.Much of this is dependent on the use of light,due to the precise control that light affords.Photopolymerization with UV light is a commonly employed technique that involves radical polymerization using methacrylate or acrylate function-alized polymers.13By restricting this light to certain regions,complex patterns of exposed and non-exposed regions can be imparted in hydrogels to spatially control cell behavior.14–16Beyond patterning,gradients are useful in many applications and are found in many tissues and can direct cellular migration.17Hydrogel gradients can be formed using speci?c mixing devices 18or micro?uidic chambers,19,20but these techniques rely on the use of complex systems or only permit gradients of a certain magnitude.Thus,a need exists for a hydrogel system that can be manipulated in space with respect to mechanical properties.Hyaluronic acid (HA)is a polysaccharide that is present in native tissue and is also intimately involved in processes such as wound healing,cell motility,embryogenesis,and in?amma-tion.21,22HA possesses properties desirable for tunable scaffolds as a wide range of molecular weights can be obtained,as well as the presence of chemically modi?able groups (hydroxyl and carboxyl groups)on the backbone.Functionalized HA with reactive groups such as methacrylates and acrylates has been utilized to form HA-based hydrogels for controlling stem cell differentiation.21–26These systems allow for uniform gel proper-ties and effective cell encapsulation,but do not allow for local Department of Bioengineering,University of Pennsylvania,240Skirkanich Hall,210South 33rd Street,Philadelphia,PA,19104,USA.E-mail:burdick2@https://www.wendangku.net/doc/637182928.html, PAPER https://www.wendangku.net/doc/637182928.html,/softmatter |Soft Matter D o w n l o a d e d b y S u n Y a t -S e n (Z h o n g s h a n ) U n i v e r s i t y o n 12 J u l y 2011P u b l i s h e d o n 27 O c t o b e r 2009 o n h t t p ://p u b s .r s c .o r g | d o i :10.1039/B 916933D
功能梯度材料
用于新一代航天飞机的热防护系统,即在与高温气体接触侧采用陶瓷耐高温材料,在液氢冷却侧采用金属材料保证其力学强度和热传导性，继日本之后,美国、德国、俄罗斯、瑞士等国家也纷纷关注并开始了这一新兴的研究领域。 梯度材料成形方法及性能优势 梯度材料复合成型分析（参考）
Ti64和NiCr梯度材料能谱分析照片 (源于DOI：10.1016/j.addma.2014.10.002) SS304L和In625梯度材料成型组织金相分析照片
（源于DOI：10.1016/j.actamat.2016.02.019)激光3D打印技术的一个重要发展方向就是制备功能梯度材料,激光3D打印制备梯度材料适应面较广，既可以制备 FGM 涂层也可以制 备 FGM 体材，而且其生产周期短、加工速度快、设计灵活、材料利用率高，其成形件尺寸精度高、组织致密、晶粒细化、具有优良的使用性能。利用LDM4030同轴送粉系统，通过调整粉末的输送量和输送比例使两种或两种以上材料含量实现层与层之间连续变化，成分设计更加灵活，过渡更加均匀，能制备出成分比例连续变化的梯度功能材料。 LDM4030助力梯度材料开发 新款LDM4030同轴送粉设备，是基于高校和科研院所等研究型单位的需求特点，针对新材料开发过程中材料种类繁多、材料间切换频繁等问题，在保证基本功能前提下，对设备进行了进一步的优化升级。
LDM4030同轴送粉3D打印机外观 LDM4030同轴送粉3D打印机设备参数
双筒双控式（左）和三桶三控式（右）
可实现加工设备（激光器）控制主机的集成控制； 送粉器连续稳定，送粉量和载粉气流量精确可控； 多个料仓可单独送粉，也可同时送粉； 有机玻璃可视粉桶； 触摸屏和PLC控制，性能稳定、安全可靠。 双桶、三桶送粉器参数 利用LDM4030实验平台，开展了对In718(镍基合金) + Fe313（铁基）、In718(镍基合金）和316L（不锈钢）等梯度材料的成形工艺及组织进行了相关的研究分析，在梯度材料研究方面做了一定的技术探索。
航空梯度材料制备工艺的优化设计
航空梯度材料制备工艺的优化设计3 何金徕,孙 秦 (西北工业大学航空学院,西安710072) 摘要 采用薄片叠层法制备了SUS304/ZrO 2梯度材料,对不同成分梯度层的收缩率和临界降温速率进行了工艺优化。结果表明,控制添加剂的加入量使各梯度层的线收缩率一致,用第三冲击因子估算的临界平均降温速率为1.73℃/min ,可以避免缺陷的产生。1350℃真空烧结制得的梯度材料外观平整,成分呈梯度变化,界面结合良好,层间结合强度达187.3MPa ,可以满足航空技术对梯度材料的要求。 关键词 航空梯度材料 薄片叠层法 收缩率 降温速率中图分类号:V256;TB333 Optimum Design of F abrication for Aeronautical G raded Materials H E Jinlai ,SUN Qin (School of Aeronautics ,Northwestern Polytechnical University ,Xi ’an 710072) Abstract SUS304/ZrO 2gradient materials are fabricated by laminated shim techniques.Shrinkages of graded layers with various components and the critical cooling rate are optimized.Results show that shrinkages of graded la 2yers with various components are uniform by controlling adding amount of additives.The critical cooling rate is 1.73℃/min using the third impact factor ,it can avoid detects.SUS304/ZrO 2gradient material with graded compo 2nents and better bonding at interlayers is obtained after sintered at 1350℃.Interfacial bonding strength of gradient material can reach 187.3MPa which can meet the requirements of aeronautic technology. K ey w ords aeronautical graded materials ,laminated shim techniques ,shrinkage ,cooling rate 3航空支撑基金资助项目(CB10003) 何金徕:男,博士研究生,研究方向为飞行器结构及材料设计 E 2mail :hejinlai.nwpu @https://www.wendangku.net/doc/637182928.html, 航空材料的制备技术是航空3大关键技术之一[1],其中 用于飞行器、航空发动机以及涡轮盘等领域的材料要求同时具有较高的强度和承受大温差的能力[2],单一材料已不能满足实际的需要,有研究者提出使用金属/陶瓷层状复合材料[3],但在高温情况下由于热膨胀系数的不同会在界面处产生内应力,引起脱落、剥离等破坏性问题。而金属/陶瓷梯度材料[4](G radient materials )由于其成分随厚度梯度变化,没有明显界面,从而缓和了热应力,并具有隔热性、高热传导率和 强韧性等[5] 。制备金属/陶瓷梯度材料的方法很多,如气相沉积法[6]、粉末冶金法[7]、离心铸造法[8]和电沉积法[9]等。其中薄片叠层法[10]具有可以制备大面积以及异形材料的优点,但对其制备工艺的优化设计报道较少。本实验以SUS304和ZrO 2为例,采用薄片叠层法制备了梯度材料,提出采用控制各层收缩率一致来消除残余应力的方法,并优化了临界冷却速率,观察了其微观形貌,最后测试了其结合强度。 1 实验 1.1 原料 原料采用平均粒径为0.27 μm 的3%(摩尔分数)Y 2O 3稳定四方相ZrO 2粉和平均粒径为28.1 μm 的304不锈钢粉。添加剂为乙醇、三氯乙烯、邻苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇和PVB ,以上均为分析纯。 1.2 样品制备 将不同成分(成分梯度变化分别为20%和10%(体积分数))的SUS304/ZrO 2混合粉按一定比例加入添加剂,球磨后经筛分、除气得到浆料,采用带式浆料浇注法制得80～100 μm 的薄片层,再按所需厚度和顺序叠层,在75℃、100MPa 压力下进行热合,最后在1350℃真空进行烧结,制备流程如图1 所示。 图1 梯度材料的制备流程图 Fig.1 Flow chart of fabrication for gradient m aterials ?41?材料导报:研究篇 2009年5月(下)第23卷第5期