功能梯度材料1217020321
功能梯度材料的制备、应用与发展状况及展望
摘要：近年来，功能梯度材料(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、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：功能梯度材料；制备方法；特性；应用；发展前景
正文：
引言
功能梯度材料(functional gradient material, FGM)，是指材料的组成、结构、孔隙率等要素沿厚度方向由一侧向另一侧连续变化，使材料的物理、化学、生物等性能沿着厚度方向也发生连续变化，可以适应不同环境，具有特殊功能的新型复合材料。航天技术的发展对材料的性能提出了新的要求，航天飞机长时间在大气层中飞行，机头尖端和燃烧室内壁承受的温度高达2000℃，同时航天飞机中的某些部件一侧要承受高温热负荷，另一侧用液氢冷却，两侧温差高达1000℃，使部件内部产生巨大的热应力，传统的单相材料已无法承受这种高温和高温差下的环境。为使材料能在较大温差下的环境中正常工作，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。为使材料能在较大温差下的环境中正常工作，功能梯度材料通过金属、合金、陶瓷、塑料等无机物和有机物的巧妙组合，在高温环境和两侧高温差的情况下表现出良好的耐热性、热应力缓和，是传统陶瓷基复合材料无法实现的。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。
功能梯度材料制备方法
功能梯度材料的制备方法很多，还有些处于探索研究阶段，常用的方法有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、自蔓延高温合成法、气相沉积法等。
2.1粉末冶金法
粉末冶金法是将10μm～100μm粒径的粉末(金属、陶瓷)充分混合，按设计的梯度分布方式逐层填充或连续成分控制填充，压实后烧结制备FGM。粉末冶金法具有设备简单、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。现在用粉末冶金法制出的有W-Cu梯度热沉材料、 HA-Ti/Ti/HA-Ti轴对称生物功能梯度材料、B4C/C功能梯度材料等。
2.2等离子喷涂法
等离子喷涂法以刚性非转移等离子弧为热源，将原料粉末以熔融状态喷射到基体表面形成涂层，通过控制喷涂材料的组分，调节等离子射流的温度和流速，在基体表面获得梯度过渡的涂层。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。该方法的优点是可以方便地控制喷涂粉末的成分，沉积效率高，易得到大面积的块材；缺点是得到的材料孔隙度高，层间结合力差，易剥落，强度低。尤其适合于大面积表面热障FGM
涂层。采用该方法已成功制得PSZ/Ni 、NiCrAlY/ZrO2、Cu/W、Ni／Al2O3、WC/Co等梯度涂层。
2.3激光熔覆法
激光熔覆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。该工艺工作快速，但设备成本较高。该方法已应用于航空涡轮发动机叶片、汽车缸体、汽轮机叶片和人体置入件等表面的改善，制备具有生物活性的功能梯度材料将是未来该方法的研究热点。目前，采用此法制备出了Ti/Al、WC/Ni、Al/SiC系功能梯度材料。
2.4自蔓延高温燃烧合成法
自蔓延高温合成法是将构成产物的元素粉末按梯度组成充填，成型后放入反应容器，加热原料粉末局部区域引燃反应，反应放出的大量热量诱发邻近层的化学反应，从而使反应自动持续地蔓延下去，合成所需的材料。该法可用于制备大体积的块材，产物纯度高，能耗少，但只适用于制备放热反应材料体系，且制备出的材料致密性较差，机械强度低，同时自蔓延烧结过程难以控制。目前，采用此法已制备出Al/TiB2、TiB2/Cu、Ni/TiC等梯度材料。
2.5气相沉积法
气相沉积法是将反应物以蒸气的形式反应并沉积在基体材料上，通过改变蒸气的温度和压力，达到调节和控制薄膜的组成和结构，实现制造梯度功能膜材料的方法。气相沉积法包括化学气相沉积法（ＣＶＤ）、物理气相沉积法（ＰＶＣ）和物理化学气相沉积法（ＰＣＶＤ）。气相沉积法主要适合制备薄膜梯度功能材料，并且对设备要求高，合成速率低。采用此法已制备出C/C 、Si/C 、Al/Zr、SiC/C/TiC等梯度材料。
功能梯度材料的应用
功能梯度材料在航空航天、生物医学、机械、电磁、核工程、能源、军事、光电、民用及建筑等领域有广泛的应用。
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。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/陶瓷功能梯度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，可以明显地提高材料的热应力缓和、耐热、耐热冲击、耐腐蚀、耐磨等性能。
3.2光、电、磁工程中的应用
在光、电、磁工程中，梯度材料具有许多优异的性质，在大功能激光棒、复印机透镜、光纤接口的应用使之具有较好的光电效应并起到热应力缓和的作用；在磁盘、永磁体、超导材料电磁屏蔽材料、超生波振荡器上的应用，可减小材料的体积和质量，提高压电、导电及绝缘等性能。
3.3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。FGM制造的人造骨骼、人造心脏、人造牙齿、仿生物制品具有极好的生物相容性、柔韧性、耐磨性、耐腐蚀和高的结合强度。FGM人造牙齿，齿根牢固，不易
破坏；FGM人造骨骼使得假体与骨之间具有很强的结合力并耐用，表现出的生物相容性。
3.4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。
3.5机械工程中的应用
FGM用于切削工具、轴承、地质钻探等材料可显著改善工具的耐热、耐腐蚀、耐磨损、强度和韧性。
3.6军事、民用及建筑材料中的应用
在军事领域，FGM制成的防弹装甲和起落架应用于坦克和飞机具有高强度、高硬度、耐冲击等性能；在民用及建筑领域，FGM制成的纤维衣物、炊具和建材产品等具有保温、抗折、抗压和减震降噪等功能。
功能梯度材料的特性
4.1材料的结构和组分呈连续性梯度变化；
4.2材料内部没有明显的界面；
4.3材料的性质也呈连续性变化。
功能梯度材料发展现状
1984年，日本科学家平井敏雄首先提出了功能梯度材料的新设想和新概念，并展开研究。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。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。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，我国功能梯度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。
迄今为止,FGM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 FGM 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 FGM 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。热电转换材料是实现热能与电能间直接转换的功能材料，其物理基础是熟知的Seebeck及Peltier效应。由于它可利用废热发电。或制成空调、冰箱等产品，没有机械运动部分，能耗低，也不需要任何气、液态工质，不污染环境，因此极具发展潜力。热电材料的优劣可用优值系数Z来表征：Z=S2σ/k 其中S为 Seebeck 系数，σ为电导率，k为热导率。可见，理想的热电材料应具有高σ(电导)低k(热导)的特性。如果将梯度的概念引入，以优化 S，σ，k等参数为设计条件，使热电材料的组分沿温度梯度方向合理地变化，就可使总的Z值达到极大。已经制备了如 FeSi2 /SiGe、PbTe/PbI2等热电材料，确实明显改善了其热电性能，但仍然存在着优值系数不够高，难以获得大尺寸材料等问题。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-gel(溶胶-凝胶)工艺，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，FGM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 FGM应用领域还不够广泛，有些应用目标尚不够明确。
功能梯度材料研究展望
功能梯度材料由于其优越的性能受到材料学界的高度重视。经过30多年的发展，功能梯度材料的研究在材料设计、制备技术、性能评价方面取得了重大进展，但是由于技术还不够成熟，能用于商业化生产的功能梯度材料较少，只在航空航天和光学领域达到实用化程度。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。功能梯度材料从研究制备到实际应用还有很多难题要解决。为满足现代材料的要求，功能梯度材料今后的发展方向将仍以材料设计、制备技术、性能评价为中心，在提高材料设计的精度、制备工艺、建立性能评价的标准和试验方法、应用等方面进行更加深入的研究，生产出性能更加优良、大尺寸、更实用的梯度材料。制备工艺简单、实用性强的梯度材料将是以后发展的趋势。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)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FGM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FGM的开发作为其重要的开发目标；
(3) 高分子功能梯度材料的研究。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，而高分子功能梯度材料的研究，国内却几乎是一片空白。高分子材料作为材料学科的重要分支，必将为功能梯度材料的研究发展提供新的思路；
(4) 功能梯度材料成分的精确控制与检测。利用计算机实时监控功能梯度材料的制备过程，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。
结束语
功能梯度材料由于本身成分、结构的渐变性所表现出来的性能的梯度性，可以满足材料在一些极端环境下的使用要求，可以满足材料的耐热、耐磨和耐蚀等物理、化学性能要求，充分完善材料设计、制备和材料特性评价方面理论和实践，促进梯度功能材料向工业化实用化方向发展，其应用也将越来越广泛。
参考文献
[1] 邹俭鹏等.功能梯度材料的设计与制备以及性能评价[J].粉末冶金材料科学与工程，2005,10(2):78-87
[2] 曾晓雁等.激光制备金属陶瓷复合层技术现状及展望[J].硬质合金，1994,11(3):187-192
[3] 解念锁.功能梯度材料的制造方法及应用[J].陕西工学院学报，2002,18(2):4-7
[4] Michelle Scanlan, David J. Browne, Andrew Bates,New castingroutetonovelfunctionallygradientlightalloys, MaterialsScienceandEngineeringA413–414(2005)66–71
[5]张幸红，韩杰才等.功能梯度材料制备技术及其发展趋势[J].宇航材料工艺，2009，(2):1-5
[6]温边英，吴刚，侯少华.新型聚合物基复合梯度材料的制备及材料结构性能[J].复合材料学报，2004,21(3):151-156
梯度功能复合材料,,
采用铸造?倾析?铸造技术制备A390/A356铝合金功能梯度复合材料时过热和凝固层厚度对其 界面接合的影响 Abstract: T he cast?decant?cast is a new method for the preparation of the functionally graded components that has been developed in recent years. The functionally graded cylindrical shape component with a radial gradient, e.g. the first alloy (A390) with high wear resistance on the surface of the piece and toughness and the second alloy (A356) of low machining costs in the core of the piece can be produced via this melt process. The effectof the second alloy superheat at temperatures of 750, 820 and 860 °C as well as the effect of the first alloy solidified layer at 25, 35 and 45 s decanting time on achieving the perfect interface between the twoalloys was investigated. The characterization of the interface was carried out by optical microscopy and scanning electron microscopy,and its width was measured by the microhardness test. The results showed that the best interface was obtained at 860 °Cand 35 s decanting time with a width of 500 μm. Also, the wear resistance test was performed to measure and compare the surface wear resistance to the core. Key words: A390 alloy; A356 alloy; functionally graded material; cast?decant?cast process 摘要：铸造?倾析?铸造技术是近年来发展起来的一种制备功能梯度材料的新方法。采用这种方法制备在径向具有梯度功能的圆柱形试样，其外表层为具有高耐磨性的A390铝合金，芯部为具有较高韧性和加工性能的A356铝合金。研究芯部熔体在不同过热温度(750，820和860 °C)和表层在不同倾析时间(25，35和45 s)下的A390/A356铝合金界面接合情况。采用光学显微镜和扫描电镜对界面进行表征，对界面区的显微硬度进行测量。结果表明，在过热温度为860 °C，倾析时间为35 s的条件下，可以获得一宽度约为500 μm的接合良好的界面层。比较了试样表面层和芯部的耐磨性能。 关键词：A390铝合金；A356铝合金；功能梯度材料；铸造?倾析?铸造技术 1引言 工程中的许多组件需要材料的对立特性，如质轻和耐磨，耐磨性和可加工性，横截面的硬度和韧性等。梯度功能材料（FGM）填补了这种材料科学的缺口，就是组件需要在不同的位置有不同的属性和实现均相横截面的最优属性的材料。功能梯度材料是成分和显微结构沿厚度变化的材料[ 1 ]。在最近的几十年里，一些熔融工艺已被用于批量制作功能梯度材料。最常见的方法是离心铸造[ 2 ]，功率超声铸造[ 3 ]，沉降[4]，磁分离[5]和熔体渗透[ 6]。2005年，都柏林大学开发了生产功能梯度轻合金铸造的新技术；该技术被称为铸造?倾析?铸造（CDC）技术。SCANLAN等人确定了三个与CDC（铸造?倾析?铸造）进程相关联的技术：转向，内部倾析和低压技术。通过这些方法生产的功能梯度材料，已被用于生产下面的
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:
TPU防水透湿薄膜的研究进展 汪胜 （上海大学环境与化学工程学院，上海200444） 摘要：热塑性聚氨酯弹性体(TPU)是一种应用范围非常广的聚氨酯材料，兼具橡胶和塑料的特性，已经被广泛应用于汽车、鞋材、服饰、医疗、电线电缆、薄膜及薄板、胶黏剂等。其中，热塑性聚氨酯在服装行业中的应用是它可以制成薄膜贴附在织物上以提供给使用者更好的防护性、舒适感和美感。文在国内外文献的基础上，总结了近几年TPU防水透湿薄膜的制备与研究进展，以期为今后的TPU防水透湿薄膜的制备和应用发展提供参考。 关键词：热塑性聚氨酯弹性体；聚氨酯材料；TPU防水透湿薄膜；橡胶和塑料 The Research ProgressofTPU waterproof moisturepermeable membrane products Sheng Wang (School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China) Abstract: Thermoplasticpolyurethaneelastomer (TPU)whichischaracteristicofrubberandplastic's, cl othing, medical, wireare applied widely to the field of automotive, shoes, clothing, medical, wire and cable, thin film and sheet, adhesive composition ect. Among them,the application of thermoplastic polyurethane in the clothing industry is that it can be made into a film attached to the fabric in order to provide users with better protection, comfort and beauty.This paper, on the basis of the literature at home and abroad, summarizes preparation and research of TPU waterproof moisture permeable membrane, and also provides the reference the TPU waterproof moisture permeable membrane preparation and research in the future. Key word:thermoplasticpolyurethane elastomer; polyurethane materials; TPU waterproof moisture permeable membrane; rubber and plastic
最新功能高分子材料综述
功能高分子材料综述
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、
转换或贮存作用的高分子及其复合材料的一类高分子材料，有时也被称为精细高分子或者特种高分子(包括高性能高分子) 。其于20 世纪60年代末迅速发展起来的新型高分子材料，内容丰富、品种繁多、发展迅速，已成为新技术革命必不可少的关键材料。 功能高分子是指具有某些特定功能的高分子材料。它们之所以具有特定的功能，是由于在其大分子链中结合了特定的功能基团，或大分子与具有特定功能的其他材料进行了复合，或者二者兼而有之。例如吸水树脂，它是由水溶性高分子通过适度交联而制得，遇水时将水封闭在高分子的网络内，吸水后呈透明凝胶，因而产生吸水和保水的功能。 在合成或天然高分子原有力学性能的基础上，再赋予传统使用性能以外的各种特定功能（如化学活性、光敏性、导电性、催化活性、生物相容性、药理性能、选择分类性能等）而制得的一类高分子。一般在功能高分子的主链或侧链上具有显示某种功能的基团，其功能性的显示往往十分复杂，不仅决定于高分子链的化学结构、结构单元的序列分布、分子量及其分布、支化、立体结构等一级结构，还决定于高分子链的构象、高分子链在聚集时的高级结构等，后者对生物活性功能的显示更为重要。 1 功能高分子材料研究 1.1 导电高分子材料 近几年来，导电性高分子的研究取得了长足的发展，形成了一个十分活跃的边缘学科领域，它对电子工业、信息工业及新技术的发展具有重大的意义。现有的研究成果表明，发展导电高分子不仅可以满足人们对导电材料的需要，而且由于它兼具有机高分子材料的性能及半导体和金属的电性能，具有重量
功能梯度复合材料圆柱壳固有频率解
第25卷第6期2005年12月 地 震 工 程 与 工 程 振 动 EARTHQUAKE ENG I NEER I NG AND ENG I NEER I NG V IBRAT I ON V o.l 25,N o .6 D ec .2005 收稿日期:2005-01-24; 修订日期:2005-04-10 基金项目:国家自然科学基金项目(10432030) 作者简介:曹志远(1938-),男,教授,主要从事结构动力学与工程力学研究. 文章编号:1000 1301(2005)06 0038 05 功能梯度复合材料圆柱壳固有频率解 曹志远 (同济大学航空航天与力学学院,上海200092) 摘要:本文建立了功能梯度复合材料圆柱壳的基本动力方程,给出了各类功能梯度复合材料圆柱壳固有频率的一般解析解法,并具体导出了两端简支功能梯度圆柱壳各阶固有频率解的解析表达式,十分简明、实用。 关键词:功能梯度材料;圆柱壳;动力方程;固有频率中图分类号:P315.976 文献标识码:A Natural frequency solution for functionall y graded material cylindrical shells Cao Zh i y uan (School ofA erospace Engineeri ng and App li ed M echan ics ,TongjiU nivers it y ,Shanghai 200092,C hina) Abst ract :The funda m enta ldyna m ic equations of functi o na ll y graded m ateri a l cy li n drical she ll are established .Then its general solution o f natura l frequencies and m ode shapes for vari o us FGM cylindrica l shells is g i v en and as an ex a mp le t h e ana l y tica l expression of natural frequenc ies for cy li n drical she llw ith si m ple boundary cond ition is presen ted in th is paper .K ey w ords :functional g raded m ater i a ;l cy li n drical shel;l dyna m ic equation ;natural frequency 引言 功能梯度材料(FGM )是一种近期发展的新型复合材料,它由多种不同材料介质沿空间按不同组分进行复合,形成材料功能的梯度分布,从而满足构件不同部位对材料使用性能的不同要求;同时,由于该种材料及结构中各组分相呈连续变化,不存在明显的界面及性能的突变,因此具有优于一般层叠型与组合型复合材料的特性。这种将性能各异的材料按照设计意愿在结构内部非均匀、连续地合成的复合材料,使新材料的研制迈入了材料设计的更高层次 [1] 。 功能梯度材料的设计理念是日本科学家于上世纪80年代首先提出来的。后来,这一概念逐渐被应用于其它功能材料的构思与研究中,在航天、能源、电子、光学、化学和生物医学工程等重要领域得到广泛应用与发展。近年来,功能梯度材料与结构的研究已引起国际学术界广泛关注 [2] ;我国在国家科委高科技 863 、 973 计划及国家自然科学基金会组织与资助下,功能梯度材料的基础研究工作也得到相当重视,并开始展开系统、深入、有计划的研究。 功能梯度材料是作为航空航天工业中特殊功能材料而开始研究的,加上其发展时间较短,因此功能梯度
功能高分子膜材料
功能高分子膜材料 作者姓名:朱海 学号：1105200077 （广州大学化学化工学院，广东广州510006） 摘要：功能高分子材料是高分子材料领域中发展最快，最有重要理论研究和实际应用的新领域。 功能高分子材料医其特殊的电学、光学、医学、仿生学等诸多物理化学性质构成功能材料学科研的 主要组成部分[1]。高分功能膜材料是功能高分子材料的重要组成部分，其分离方法简便，快捷，节 约能源这一独特性质在气体分离，海水淡化，污水处理，食品保鲜，混合物分离等方面得到广泛的 应用，在医学和药学方面应用研究也取得了较大进展[2]。 关键字：概述；特点；分类；分类原理；制备；发展趋势 Functional polymer membrane materials （Fine Chemical Research Institute，Guangzhou University，Guangzhou 510006，Guangdong，China）Abstract: functional polymer materials is the fastest growing in the area of polymer materials, the most important new areas of theoretical research and practical application. D its special functional polymer materials of electrical, optical, medical, bionics, and many other physical and chemical properties constitute the main part of functional materials science research. High functional membrane materials is an important part of functional polymer materials, the separation method is simple, fast, save energy this unique properties in gas separation, water desalination, sewage treatment, food preservation, separation of the mixture, etc widely used, in the aspect of medical and pharmaceutical application research have also made great progress 正文: 1.概述 膜是一种二维材料，智能化的膜是最高标准水平。广泛存在自然界，起着分隔，分离和选择性透过等作用。高分子功能膜由于在不同条件下表现出的特殊性质，已经在许多领域获得应用，而且具有潜在的应用前景。比如在电场作用下的点透析装置，在压力作用下的超滤，微滤，反渗透装置。在浓度梯度下的渗透过滤装置，以及膜修饰电极，非线性光电材料，膜缓释装置等都是功能膜的主要应用领域。这些研究成果被广泛用于工业，农业，医药，环保等领域，对节约能源，提高效率，净化环境做出了重大贡献[3]。 2.膜分离的特点 相对于其他分离方法，膜分离技术有以下优点：除个别情况，如渗透蒸发装外，分离过程没有相变化，因此分离物质的损耗小，能耗小，是一种低能耗，低成本的分离技术。膜分离过程通常在温和的条件下进行，因而对需避免高温分级，浓缩与富集的物质，如果汁、药品、蛋白质具有明显的优点。膜分离装置简单，操作容易，制造方便，易于与其他分离技术结合，其分离技术应用广，对无机物，有机物及生物制品均可适用，并且不会二次污染。但是膜分离过程容易出
功能梯度材料分层法研究
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。
梯度功能材料的制备与应用及其发展状况.
—— 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。
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。
功能梯度材料的制备及发展趋势综述
功能梯度材料的制备及发展趋势 [摘要]功能梯度材料是一种新型材料,由于其结构和性能的优异特性,已成为材料领域研究的热点。对国内外功能梯度材料的研究进展进行了综述,重点阐述了功能梯度材料的制备、应用及其发展趋势。 [关键词]功能梯度材料; 热喷涂; 应用; 发展趋势 0 前言 功能梯度材料( 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[ 1～4 ] 。 航天技术的发展对材料的性能提出了新的要求,如航天飞机发动机燃烧室器壁,一侧承受2 000 ℃以上的高温,另一侧承受低温液氢冷却,传统的单相材料已经无法满足要求[ 5 ] ,若采用多种复合材料,由于各相的热膨胀系数的差异,会在材料内部产生较大的热应力,致使涂层在较小冲击力下即可剥落,为满足这种适应较大温差下工作的新材料, 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[ 6 ] ,很快引起多个国家宇航领域科技工作者的极大关注[ 7 ] ,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等方面都取得了令人瞩目的成果,本文从功能梯度材料的制备、应用方面综述了FGM的研究状况,并展望其前景。 1 功能梯度材料的制备方法 目前已经提出多种制备方法,但总体来看分为两大类:间断梯度层和连续梯度层,前者是指各层间总存在成分间断,后者是利用自然迁移现象来实现成分的连续过渡。 1. 1 气相沉积 气相沉积法分为化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)以及物理化学气相沉积法(PCVD) [ 8, 9 ] 。 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,通过选择合成温度、调节原料气流量
功能梯度热障涂层热震表面裂纹_柳彦博
功能梯度热障涂层热震表面裂纹 柳彦博,王全胜,王富耻,马 壮,李东荣 (北京理工大学材料科学与工程学院,北京100081) 摘 要:作为发动机热端部件上使用的功能梯度热障涂层,其热震性能的好坏直接关系到涂层的使用寿命,涂层内部的裂纹在热震环境下的变化是影响其热震性能乃至使用寿命的直接因素。采用YSZ与NiCr CoA lY等离子喷涂制备了功能梯度热障涂层试样,采用扫描电子显微镜对不同次数热震后的涂层表面不同位置进行了观察比较。结果表明,随试样位置及热震次数的不同,表面裂纹存在显著不同;除主裂纹外,会产生二次裂纹;主裂纹与二次裂纹的宽度存在差异。 关键词:功能梯度;热障涂层;热震;表面裂纹;等离子喷涂;隔热 中图分类号:T G166 文献标识码:A 自20世纪80年代,功能梯度材料出现之后,因其具有普通均质材料所不具备的优越物理化学性能而迅速成为世界各国材料研究的焦点之一。采用等离子喷涂技术制备的热障涂层(TBCs)已在热机中获得广泛使用。在实际应用中,热障涂层最显著的特性是要求他在热冲击作用及恶劣工作环境下的耐久性能[1]。热障涂层强调的是隔热能力,而功能梯度材料强调的是从陶瓷到金属的梯度变化,从而实现热学、力学、电学性能的梯度变化,将二者的设计概念结合起来,即可得到既具有较强隔热性能又能大幅度缓和热应力的梯度复合涂层结构[2]。对于热障涂层而言,其抗热震性能是非常重要的性能指标,决定着该涂层的使用寿命。研究发现,导致热障涂层失效的因素有很多,其中主要包括:热应力、涂层制备时的残余应力、ZrO2相变及高温氧化等[3]。热障涂层的失效形式多种多样,有的在涂层表面出现龟裂裂纹,有的出现局部剥落、层间剥落等,其中,大多数失效的根本原因是涂层中的裂纹扩展造成的。控制涂层中裂纹的扩展即可提高涂层的使用寿命,因此,热震环境下涂层裂纹的研究成为重点。在热障涂层的裂纹中,表面裂纹会对涂层隔热能力及使用寿命产生很大影响,研究热震条件下涂层表面裂纹扩展的情况及其机理,对涂层设计及制备具有重要意义。 1 试验方法 1 1 试样制备 本试验中的试样基体材料采用LY12铝合金,其外形尺寸为 36mm 10m m,数量为3组6个,并且配有一定的喷涂夹具。涂层制备利用PRAX-A IR-T AFA公司生产的SG-100等离子喷枪制备,各层喷涂参数如表1所示,喷涂所用主气为氩气(Ar),辅气为氦气(H e)。试验中采用的陶瓷粉末是ZrO2(PSZ),粒度分布范围40~60 m,采用的金属粉末为NiCr CoA lY合金粉,粒度分布范围20~80 m。涂层采用6层梯度结构,涂层总厚度2mm,各层成分及厚度分布参见表2。 表1 功能梯度热障涂层喷涂参数 第1层第2层第3层第4层第5层第6层电流/A800800850850900900 主气(%)1001001001009090 辅气(%)000202030 表2 功能梯度热障涂层结构 第1层第2层第3层第4层第5层第6层ZrO20%20%40%60%80%100% NiCrC oAlY100%80%60%40%20%0%厚度0 3mm0 3mm0 3mm0 3mm0 3mm0 5mm 1 2 热震试验 热震试验采用自行研制的FGM热性能测试仪,该设备采用氧-乙炔火焰喷枪加热,试样表面冷却采用压缩空气,试样底部采用流动自来水连续冷却,表面温度采用红外测温仪测量,基体温度则通过热电偶测量。具体规范为:首先采用氧-乙炔火焰喷枪加热试样表面,当红外测试仪显示涂层表面温度达到1100 时,立即停止加热,移走氧-乙炔火焰喷枪,并且立即采用压缩空气冷却涂层表面,当热电偶显示基体温度降至300 时,停止冷却,1次表面热震试验结束,如要继续进行,则马上采用氧-乙炔火焰喷枪重新加热试样表面,进行上述循环,直到所需热震次数。采用的火焰枪为PRAXAIR公司生产的FP-73型火焰喷枪。本试验中,对3组试样分别进行了30次、50次、100次的单面热震。 1 3 涂层观察 在对3组试样进行温度范围为300~1000 的单面热震后,将试样放置于JSM-5600扫描电镜下对涂层表面观察,观察位置由边缘向中心延伸,观察放大倍数为35倍。 2 试验结果与分析 在对试样进行不同次数的热震后,均未出现剥落现象,说明在该试验条件下未达到涂层的失效极限。涂层表面通过扫描电镜观察发现以下特点: 50 新技术新工艺 热加工工艺技术与装备 2006年 第7期
功能梯度材料1217020321
功能梯度材料的制备、应用与发展状况及展望 摘要：近年来，功能梯度材料(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、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：功能梯度材料；制备方法；特性；应用；发展前景 正文： 引言 功能梯度材料(functional gradient material, FGM)，是指材料的组成、结构、孔隙率等要素沿厚度方向由一侧向另一侧连续变化，使材料的物理、化学、生物等性能沿着厚度方向也发生连续变化，可以适应不同环境，具有特殊功能的新型复合材料。航天技术的发展对材料的性能提出了新的要求，航天飞机长时间在大气层中飞行，机头尖端和燃烧室内壁承受的温度高达2000℃，同时航天飞机中的某些部件一侧要承受高温热负荷，另一侧用液氢冷却，两侧温差高达1000℃，使部件内部产生巨大的热应力，传统的单相材料已无法承受这种高温和高温差下的环境。为使材料能在较大温差下的环境中正常工作，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。为使材料能在较大温差下的环境中正常工作，功能梯度材料通过金属、合金、陶瓷、塑料等无机物和有机物的巧妙组合，在高温环境和两侧高温差的情况下表现出良好的耐热性、热应力缓和，是传统陶瓷基复合材料无法实现的。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。 功能梯度材料制备方法 功能梯度材料的制备方法很多，还有些处于探索研究阶段，常用的方法有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、自蔓延高温合成法、气相沉积法等。 2.1粉末冶金法 粉末冶金法是将10μm～100μm粒径的粉末(金属、陶瓷)充分混合，按设计的梯度分布方式逐层填充或连续成分控制填充，压实后烧结制备FGM。粉末冶金法具有设备简单、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。现在用粉末冶金法制出的有W-Cu梯度热沉材料、 HA-Ti/Ti/HA-Ti轴对称生物功能梯度材料、B4C/C功能梯度材料等。 2.2等离子喷涂法 等离子喷涂法以刚性非转移等离子弧为热源，将原料粉末以熔融状态喷射到基体表面形成涂层，通过控制喷涂材料的组分，调节等离子射流的温度和流速，在基体表面获得梯度过渡的涂层。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。该方法的优点是可以方便地控制喷涂粉末的成分，沉积效率高，易得到大面积的块材；缺点是得到的材料孔隙度高，层间结合力差，易剥落，强度低。尤其适合于大面积表面热障FGM