功能梯度材料研究的进展综述

文章编号:100926825(2006)0520143202

功能梯度材料研究的进展综述

收稿日期:2005209222

作者简介:高晓霞(19812),女,北京交通大学工程力学专业硕士研究生,北京　100044

姜晓红(19762),女,农艺师,山西省神池县农业技术广播学校,山西神池　036100田东艳(19792),女,北京交通大学工程力学专业硕士研究生,北京　100044

高晓霞　姜晓红　田东艳

摘　要:介绍了功能梯度材料的基本概念以及具有的优势,评述了F GM 的应用现状与前景,提出了功能梯度材料在应

用方面尚需解决的一些问题,表明了F GM 有着广阔的应用前景。关键词:功能梯度材料,复合材料,应用前景中图分类号:TU502文献标识码:A

材料是现代科学技术和社会发展的支柱。现代高科技的竞

争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪六大高科技领域的基石。

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 ,F GM )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。

1　FG M 的基本概念

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,

速度摊铺,减少摊铺机停机待料的情况。

3　水泥稳定土养生

养生对保证水泥稳定土的使用性能至关重要,尤其在施工阶段。

1)水泥稳定土底基层分层施工时,下层水泥稳定土碾压完后,在采用重型振动机碾压时,宜养生7d 后铺筑上层水泥稳定土。在铺筑上层稳定土之前,应始终保持下层表面湿润。在铺筑上层稳定土时,宜在下层表面撒少量水泥或水泥浆。底基层养生7d 后,方可铺筑基层。水泥稳定级配碎石(或砾石)基层分两层用摊铺机铺筑时,下层分段摊铺和碾压密实后,在不采用重型振动压路机碾压时,宜立即摊铺上层,否则应在下层顶面撒少量水泥或水泥浆。

2)每一段碾压完成并经压实度检查合格后,应立即开始养生。3)宜采用湿砂进行养生,砂层厚宜为7cm ～10cm 。砂铺匀后,应立即洒水,并在整个养生期间保持砂的潮湿状态,不得用湿粘性土覆盖。养生结束后,必须将覆盖物清除干净。

4)对于基层,也可采用沥青乳液进行养生。沥青乳液的用量按0.8kg/m 2～10kg/m 2(指沥青用量)选用,宜分两次喷撒。第一次喷撒沥青含量约35%的慢裂沥青乳液,使其能稍透入基层表层。第二次喷撒浓度较大的沥青乳液。如不能避免施工车辆在养生层上通行,应在乳液分裂后撒布3mm ～8mm 的小碎(砾)石,做成下封层。

5)无上述条件时,也可用洒水车经常洒水进行养生。每天洒

水的次数应视气候而定。整个养生期间应始终保持稳定土层表面潮湿,注意表层情况,必要时用两轮压路机压实。

6)对于高速公路和一级公路,基层的养生期不宜少于7d 。对于二级和二级以下的公路,如养生期少于7d 即铺筑沥青面层,则应限制重型车辆通行。

7)对于二级和二级以下公路,如基层上为水泥混凝土面板,且面板是用小型机械施工的,则基层完成后可较早铺筑混凝土面层。

8)在养生期间未采用覆盖措施的水泥稳定土层上,除洒水车外,应封闭交通。在采用覆盖措施的水泥稳定土层上,不能封闭交通时,应限制重车通行,其他车辆的车速不应超过30km/h 。

在清扫干净的基层上,也可先做下封层,以防止基层干缩开裂,同时保护基层免遭施工车辆破坏,宜在铺设下封层后的10d ～30d 内开始铺筑沥青面层的底基层。如为水泥混凝土面层,不宜让基层长期曝晒,以免开裂。参考文献:

[1]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M ].北京:人民交通出版社,1999.25227.

[2]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M ].北京:人民交通出版社,2001.42244.

[3]沙庆林.公路压实与压实标准[M ].北京:人民交通出版社,1999.31233.

Discussion on application of cement stabilized soil

ZHANG Jian 2yu XU H eng

Abstract :It introduces cement stabilized soil material from matter need attention of use 2process 、health preserving and primary material ,which has meaning in spreading application of the structure.

K ey w ords :cement stabilized soil ,health preserving ,construction

?

341?

第32卷第5期2006年3月 山西建

筑SHANXI ARCHITECTURE

Vol.

32No.5Mar.　2006

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。为了解决这类问题,日本材料学家新野正之(MasyuhiN INO )、平井敏雄(Toshio HIRA )和渡边龙三(RyuzoWA TANBE )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。功能梯度材料示意图见图1。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[1]。正如Erdogan 在其论文[2]中指出的与传统复合材料相比功能梯度材料有如下优势

:

1)将功能梯度材料用作界面层来连接不相容的两种,可以大大地提高粘结强度;2)将功能梯度材料用作涂层和界面层可以减

小残余应力和热应力;3)将功能梯度材料用作涂层和界面层可以

消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;4)用功能梯度材料代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

2　FG M 的应用现状

迄今为止,F GM 的最直接应用就是前述的航天飞行器材料。这是一种热障型梯度材料,具有一侧耐热隔热及抗氧化(陶瓷),

另一侧高导热及韧性优良(金属)的特性。目前F GM 的大部分研

究都是在此应用背景下展开的。这种隔热耐磨韧性好的梯度材

料(或覆层)在机械工程中的应用也十分广阔。另一个F GM 应用

前景很明朗的领域是能源学科,如固体燃料电池、太阳能电池、热

电转换装置等。目前对热电转换材料的研究最多。

在其他应用领域,已经有少量的工作开展起来。如Dilish 等

人采用sol 2gel (溶胶—凝胶)工艺[3],通过组分的梯度变化,制备了

一种新型的有机/无机键合玻璃材料,它兼具有机玻璃的塑性及

无机玻璃的刚性特性。在人造生物材料方面,F GM 的出现可较

好地解决生物相容性及结合强度等问题。但总的来看,已知的F GM 应用领域还不够广泛,有些应用目标尚不够明确。

另外,功能梯度材料因具有良好的适应性可广泛地应用于内燃机的运动件上。从四冲程柴油机镀膜前后的性能数据对比来看,镀膜后的柴油机功率和扭矩均有所提高,燃油消耗率有所下降[4]。目前F GM 概念已引入硬质合金领域并开发出一系列功能梯度硬质合金材料。

3　FG M 的应用前景

在许多需要耐高温、耐腐蚀、耐磨损的结构材料的应用中F GM 复合材料被认为是十分关键的。在这方面应用中,材料热应力的缓和是通过材料中的成分和结构的分布来实现的。因此对热应力缓和F GM 的研究,可理解为对材料力学性质的改性。众所周知,材料的很多性质,比如电磁性质等,都依赖于成分、微观结构、晶体结构等。因此,F GM 在热应力缓和方面的成功,使人们自然而然地想到它在其他领域的潜在应用前景。F GM 已在除热应力缓和外的核、医学、生理、电磁和光学等领域扩展。除此之外,F GM 还在光电、能源、传感器、热电/热离子转换等许多领域也都有广泛和实际的应用[5]。

4　存在的问题

作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面:

1)尚需要进一步地研究和探索统一的、准确的材料模型和力学模型;2)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;3)梯度功能材料特性评价研究的广度和深度还不够,很多实际问题没有解决,在航空航天领域的应用模拟研究有待进一步提高;4)成本高。

5　结语

F GM 是应现代航天航空工业的高功能要求而发展起来的一

种新型功能材料,把F GM 结构和F GM 化技术与智能材料系统有机地结合起来,将会给材料科学带来一场新革命。F GM 的研究和开发已成为当前材料研究的前沿课题,有非常广阔的前景。参考文献:[1]Nadeau ,J. C.and Ferrari ,M.Microstructural o ptimization of a

functionally graded transversely isotropic layer[J ].Mech.Mater ,1999(31):372651.[2]Erdogan ,F.Fracture mechanics of functionally graded materials [J ].Compos.Engng ,1995(5):7532770.[3]王　豫,姚凯伦.功能梯度材料研究的现状与将来发展[J ].华中理工大学物理报,2000,29(4):65267.[4]孙志远,李艳琳.功能梯度材料的发展及其在内燃机上的应用[J ].小型内燃机,2001,30(1):45247.[5]李碧容,雍岐龙,张国亮.功能梯度材料的发展、制备方法与应用前景综述[J ].云南工业大学学报,1999,15(4):81284.Summary of research progress of f unctionally graded material

G AO Xiao 2xia JIANG Xiao 2hong TIAN Dong 2yan

Abstract :This paper introduces the concept of functionally graded materials as well as the advantages of them.Based upon analysis of the pre 2sent application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented.Author points out that F GM has wide ap 2plication prospect.

K ey w ords :F GM ,composite material ,application prospect

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441?第32卷第5期2006年3月

山西建筑