功能梯度材料的发展与制备方法的研究
三维功能梯度材料复杂形状零件的制造技术及发展趋势
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔｈ ｏ ｃ ｐ ，ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓ ａ ｄ ｂ ｃ ｇ ｏ ｎ ｆｆ ｎ ｔｏ ａｌ ｒ ｄ ｅ ｔ ｍａ ｅ ｉ ｌ Ｗｅ ｅ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ，ａ ｄ ｓ ｒ ｓ ｒ ｃ ： ｅ ｃ ｎ ｅ ｔ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔ ｎ ａ ｋ ｒ ｕ ｄ ｏ ｕ ｃ ｉ ｎ ｌ ｇ ａ ｉ ｎ ｔ ｒａｓ ｃ ｙ ｒ ｒｓ ｎｅ ｎ ｏ ｗｅ ｅ
ｂ ｎ ｆｃａ ｔ ｈ ｕ ｓ ｑ ｅ ｔｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｓｉ ｈ ｓ ｆｅｄ ｅ ｅ ｉｉ ｌ ｏ ｔ ｅ ｓ ｂ ｅ ｕ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｒ ｎ ｔ ｉ ｉ ｌ ．
Ｋｅ ｒ ｓ： ｎｃ ｉｎａ ｌ ｒ ｄ ｅ ａ ｅ ｉｌ ， Ｃｏｎｃ ｒ ｎｔｍ ａ ｕｆ ｃ ｕｒｎｇ，Ｄｉ ｔ ｉｋ ｌ ｙｎｇ ｔ ｃ ｙ ｗｏ ｄ Ｆｕ ｔｏ ｌｙ ｇ ａ ｉｎｔｍ ｔ ｒａ ｓ ｕｒ ｅ ｎ ａ ｔ ｉ ｇｉａｌｂｒｃ ａ ｉ ｅ ｈｎｏｏｇｙ ｌ
摘 要 ： 从功 能梯 度材 料 的产 生背景 、 念及特 点 出发 ， 述 了 目前 三维 功 能梯 度材 料 复 杂形 状零 件 概 综
的现 状 ， 着重介 绍 了该 类零 件 并行制 备 的 方 法 ， 并探 讨 了三 维功 能 梯度 材 料 复 杂形 状 零 件 的研 究发 展 方
向与前 景 ， 后 续研 究工作提 供 了一定 的指 导和启 迪 。 为
（ ． ｔ ｔ ｙ Ｌａ ｏ ａ ｏ ｙ ｏ ａ ｔｃＦｏ ｍｉ ｇ Ｓ ｍ ｕａ ｉｎ ａ ｄ Ｄｉ １ Ｓ ａ ｅ Ｋｅ ｂ ｒ ｔ ｒ ｆＰｌｓ ｉ ｒ ｎ ｉ ｌ ｔ ｎ ｅ＆ Ｍ ｏ ｌ ｃ ｎ ｌ ｇ ，Ｈｕ ｚ ｏ ｇ Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｏ ｕ ｄ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ａ ｈ ｎ ｉ ｅ ｓ ｔ ｆ
功能梯度材料的研究现状与展望
布来控制其各种破坏型式就显得尤为重要。
维普资讯
２０ ０２年 ２期
王英姿等
．
能 悌 度 材 料 的 研 究 现 状 与 展 望
１ ７
总之 ， Ｆ 在 ＧＭ 的 设 计 系统 方 面还 存在 着 不 足 ．
或 多种成 分 悌度 变 化 的 梯 度 功 能 材 料 的 制 备 方 法 。 该技 术的 关键 在 于 如 何 设 计 成 分 ， 凝 固初 期 生 成 使
２ １ 梯度层性能的估算 ． 根据复合材 料设 计原则 ［ 及 使用要求 初步选 ］ 择原料组配， 在建立计算模 型并确 定梯 度组 成分 布 函数 后 【ｊ为 了 对 Ｆ ６， ６ ＧＭ 内部 的 温 度 分 布 及 热 应 力 分布进行有限元计算， 必须 已知 不同混合 比的梯 就 度 层 的物 性值 ： 导热 系 数 、 热膨 胀 系 数 、 弹性 模量 、 泊 松 比等 。目前梯度层性能的确定方法有三种： 实测 、 经验复合法 则和微观力学方法。前两种方法 由于误 差较大 ， 不甚合理 ， 已较少应用 ； 而微观力学方法 又 分为二相平均场理论及三相平均场理论。王继辉等 用 Ｅ ｈｌｙ等 效 原 理 和 Ｍｏｉ ｓｅ ｂ ｒ—Ｔａａａ平 均 场 理 论 ｎｋ 导出了梯度材料性能预测 的三相理 论公 式， 并针对 Ｍｇ ／ ｉ Ｏ Ｎ 梯度材 料进行 了计 算， 此基础上用有限 在
材 料 ， 而 达 到缓 和 热应 力 和 耐热 、 热 的 目的 。 即 从 绝
元法进 行 热 力学 分析， 定 了合 理 的组 分 分布 指 确
数 ［ｌ ７ 。
２ ２ 热应力解析及成分梯度组成的优化 ． Ｆ Ｍ 的设计 思想是将 材料制备过 程及使用时 Ｇ
的两类热应力分 布情况 综合考虑， 通过 使它们互相 抵消 来做 出最 优 设 计。热 应 力 解 析 一 般 是 针 对 Ｆ Ｍ 的两种常见形 状， Ｇ 即平板 和圆筒， 定常热 传 按 导或非定常热传导 ， 用有限元方法进行计算的。 由于材 料 内部 的热应 力 分 布和 应 力 水平 主要 依 据 于梯 度 层 的组 成 和性 质 ， 对 于 不 同 的 组 成 和 结 故 构。 材料会产生不同程度的径 向、 向和层 间撕裂等 环 破坏 型 式 。所 以， 过 优 化 设 计 梯 度 材 料 的组 成分 通
梯度功能材料的制备与应用及其发展状况(功能材料论文)
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。
功能梯度材料的概述
功能梯度材料的概述摘要：功能梯度材料是一种新型复合材料，本文阐述功能梯度材料的概念，表征，制备方法及应用。
关键词：功能梯度材料(FGM) 概念表征性能制备前景1 概述：功能梯度材料（Functionally Graded Materials,简称FGM）是采用先进的材料复合技术, 使材料的组成、结构沿厚度方向呈梯度变化的一种新型的非均质复合材料。
FGM的概念是由日本学者平井敏雄、新野正之等人于1987 年提出的为了解决在设计制造新一代航天飞机的热应力缓和问题的材料。
在航天飞机推进系统并列喷气燃烧器或再用型火箭燃烧器中, 由于气体燃烧温度高达2000℃ , 燃烧室壁承受的热负荷可达100MW/m2, 因此用做燃烧室壁的材料对耐热性、隔热性、耐久性和强韧性有很高的要求。
最初研究的FGM是表面使用温度达2000K、表里温度相差约1000K 的新型超耐热材。
2 表征:2.1 基于梯度源的功能梯度材料表示方法基于梯度源的功能梯度材料实体模型由香港大学的Y. K. Siu 和S. T. Tan,提出该模型将实体的几何元素 (如点、线、面)作为梯度源,记录该梯度源下的材料成分方程f ( d )及材料数组M, 其中, 材料成分方程f ( d)由各点到梯度源的垂直距离来记录实体内部材料分布情况.2.2 基于力学性能和玻璃化转变温度的功能梯度材料表示方法通过均匀分散碳纳米填料制备FGM ,用玻璃化转变温度和应力与应变行为的梯度来表征这些材料。
当油含量沿着薄层厚度从0 份变为100 份时,FGM 的玻璃化转变温度Tg从- 56 ℃变为- 80 ℃。
油含量的变化也使拉伸强度、弹性模量、拉断伸长率等沿厚度发生变化。
FGM 的机械性能和Tg 的这种变化有助于在过渡区的低温环境下(即- 56 ℃～80 ℃) 既保持弹性又具有强度。
3 制备方法:3.1 电沉积法在含有某种金属离子的电解溶液中将被沉积工件作为阴极，通过一定波形的低压直流电，使金属离子不断在阴极上沉积为金属的过程。
功能梯度骨质生物材料
这类合金材料的特点是力学性能好, 相对于别的金属材料在 人体内有较好的化学稳定性, 尤其是Tc4合金, 弹性模量与人 体致密骨弹性模量比较接近, 比重小, 断裂韧性高, 被广泛制 成骸关节和膝关节。然而人体组织对金属合金材料都具有排 异作用,且人体组织液对金属合金材料都具有腐蚀作用, 人体 免疫组织亦未曾停止对植人金属材料的攻击。反之, 从植人 金属材料表面释出的金属离子对人体组织也产生腐蚀和毒性 反应, 破坏人体免疫系统。
a、Co-Cr-Mo基和Ti-6Al-4V基功能梯度骨质生物材料
Chang等人将一薄层HA用等离子喷涂法喷涂在Co-Cr-Mo和 Ti-6Al-4V圆柱形棒上, 动物种植试验表明, 植人体腿骨的应 力值大于自然腿骨的应力值, 当骨组织在植人体表面生长12周 后, 其弯曲强度增加, 且Co-Cr-Mo体系比Ti-6Al-4V体系具有 更严重的应力屏蔽效应。该法可以方便地控制粉末成分的组成、 沉积效率高、较易得到大面积的块材, 但制得的材料孔隙率高、 层间结合力差、易剥落、材料强度不高。
从70年代开始, 人们就试图寻找和探索改善金属材料生物相 容性和提高生物活性陶瓷生物力学性能的方法。80年代中期 开展了以HA 、TCP化合物为基体, 对Al2O3、ZrO2等强化相 复合材料的研究, 采用高温等静压等手段, 力图提高钙磷基生 物活性材料的力学性能。另外用等离子喷涂方法在金属材料 表层涂上HA、TCP等生物相容性良好的材料, 力图改善金属 材料一骨组织间界面结合情况, 这些方法都取得了一定的效 果。但由于涂层与基体的结合强度低以及喷涂层生物降解使 金属基体再次裸露等问题, 尚需进一步研究。到了21世纪初 期便开始有了对梯度骨质材料的研究。
Liu等将HA涂层仿生沉积到Ti-6Al-4V上, 并将各种浓度（10ng/ml-1ug/ml) 的牛血清蛋白（BSA）加人到过饱和的磷酸钙溶液中, 在37℃和PH为7.4时将 这种材料板浸人此溶液中48H。在此过程中, 与晶体共同沉积, 白色均匀薄层 涂层（30-40um）沉积于Ti表面, 结果表明, 在BSA溶液中的浓度过高会改变 涂层的微观结构, 蛋白质在涂层中的附着量随溶液中浓度的升高而减少, 蛋白 质已与整个涂层融为一体且将缓慢释放, 这些结果预示仿生涂层HA可用于携 带蛋白质。李世普等实现了在非水溶液体系中, 在Ti-6Al-4V基体上BG与HA 的共沉积, 此复合物经烧结后能得到一生物活性梯度陶瓷涂层。该涂层与基体 之间的结合强度能达到18Mpa。
功能梯度材料
功能梯度材料功能梯度材料（FGM）是一种具有梯度性质的复合材料，其性能在材料内部呈现出逐渐变化的特点。
这种材料的设计灵感来源于自然界中许多生物体的结构，比如贝壳、骨骼等，它们都具有类似的梯度性质，能够有效地抵抗外部环境的影响，具有很高的韧性和强度。
功能梯度材料的设计理念是将不同性能的材料通过一定的方式结合起来，使得整体材料的性能在空间上呈现出梯度变化。
这种设计能够充分发挥各种材料的优势，同时弥补它们的缺陷，从而实现材料性能的最优化。
在实际应用中，功能梯度材料已经被广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗器械等领域，取得了显著的效果。
功能梯度材料的制备方法多种多样，包括堆砌法、激光熔覆法、沉积法等。
其中，堆砌法是一种比较常见的制备方法，它通过层层堆砌不同性能的材料，然后进行烧结或热压，最终形成具有梯度性质的复合材料。
激光熔覆法则是利用激光熔化金属粉末，将不同成分的金属粉末逐层熔覆在基底上，形成梯度材料。
沉积法则是通过化学气相沉积、物理气相沉积等方法，在基底上沉积不同性能的材料，形成梯度材料。
功能梯度材料的应用前景广阔，它可以为工程领域提供更多的可能性。
比如，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层，提高其对高温和高速气流的抵抗能力；在汽车制造领域，功能梯度材料可以用于制造车身结构件，提高汽车的安全性和舒适性；在医疗器械领域，功能梯度材料可以用于制造人工关节和骨科植入物，提高其与人体组织的相容性和稳定性。
总的来说，功能梯度材料是一种具有巨大潜力的新型材料，它将为人类社会的发展带来新的机遇和挑战。
随着科学技术的不断进步，功能梯度材料必将在更多领域展现出其独特的价值和魅力，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
功能梯度材料的研究进展及应用前景
１ 功能梯度材料 的制备工艺
传 统 的功 能梯 度材料 的生 产工 艺分 为建立 非
均匀 化 的空 间结构 （ 梯度 工艺 ） 和将 此结构 转化 为
固体 材料 （ 致密 化工 艺 ） 步骤 。梯 度工 艺 可 分 ２个 为 与组成 要素 相关 的 制备 技 术 、 均 匀化 相 关 的 与 制备 技术 和与 分 离相 关 的制 备 技术 ， 随后 通 过 烘 干， 烧结 以及 致 密化 工 艺 等 固化 工艺 生 成 Ｆ Ｍ 。 Ｇ 如粉 末冶 金法 、 注浆 成 型法 、 离心成 型法 等 。随着 科研 人员 对功 能梯 度 材 料 的研 究不 断 深 入 ， 些 一 新 型 的制 备 工 艺不 断 涌 现 。如 电沉积 法 、 相 沉 气 淀法 、 光熔敷 法 、 激 等离 子喷涂 法等 。
１ １ 粉 末冶 金法 ．
度材料的概念， 并很快 引起 了世界各 国极 大的关 注 。美 国 的 ＮＡＳ Ｐ计 划 、 国的 Ｓｎ ｅ 计 划 、 德 ａ ｇｒ 英
国的 ＨＯＴ ＯＬ计 划 和俄 罗斯 的 图一０ ０计 划 都把 ２０ 功 能梯 度材料 及其 相关 制 备技术 作 为重 点关 键技 术来 研 究开 发 。作为 Ｆ ＧＭ 概 念 发 源地 的 日本 更 是在 功 能梯度 材 料 领 域 投 入 了 大 量 的人 力 物 力 ， 相继 设 立 了“ 应 力缓 和材 料 的开 发 基础 技 术 的 热 研究 ” “ 、具有 功 能梯 度 结 构 的能 量 转 换 材 料 的研 究 ” “ 度材 料 物 理 化学 研 究 ” 一 系列 研 究 项 和 梯 等 目。从 材料 物性 数 据 库 、 度 材 料 的组元 和结 构 梯 设计 、 度材 料制 备 和结 构控制 、 度材 料性 能评 梯 梯 价 等多 个方 面展 开 了大 量 的 研 究 ， 在 热 应 力缓 并 和型 Ｆ ＧＭ 和光 电转 换 、 电 变 转 换 梯 度 材 料 上 热 取得 了举 世 瞩 目的成 果 。我 国政府 已把 功能 梯度 材料 的研 究 列 入 国家 “ ６ ” 划 ［ 。功能 梯 度 材 ８３ 计 ３ ］
梯度功能材料的研究与应用
广 东 技术 师 范 学 院学 报
２０ ０６年第 ６ 期 Ｊｕｎ ｌ ｆＧ ａ ｇ ｏ ｇＰ ｌｔｃ ｎｃＮ ｒ ｌＵ ｉｅｓ ｏ ｒａ ｕ ｎ ｄ ｎ ｏｙｅｈ ｉ ｏｍａ ｎｖ ｒｉ ｏ
梯 度 功 能 材 料 的 研 究 与 应 用
的性 能不 匹配 因素 。 以航 天飞机 燃烧 室壁 为 例 ， 承受 在 高温 的一侧 配置 耐高 温 的陶瓷 ， 以耐 热 隔热 ； 液 氢 用 在
在研 究 Ｆ Ｍ 时 ， Ｇ 人们 通 常导 入成 分分 布 函数来 对
界面 消失 ，从而得 到 功能 相应 于组 成 和结 构 的变 化 而 Ｆ Ｍ进 行最 优设 计 。最简 单 的成 分分 布 函数如 下 】 Ｇ ：
中图 分 类 号 ： ＧＩ４ Ｔ ７ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ２ ４ ２ ２ ０ ）６ ０ １ ４ １７ — ０Ｘ（０ ６ ０ —００ —０
１ 概 述 Βιβλιοθήκη ．成 和结 构 的梯度 分布 设计 。 在设计 时 ， 以知 识库 为基 础 选择 可 供合 成 的材料 组成 和 制备 技 术 ，然后 选 择表 示
第 ６期
Ａ相 的表 面作为起 点 的距离 ； Ｐ是 梯度 分布 系数 。 图 １ 有 连续梯 度分 布 的片状 Ｆ Ｍ。 Ｇ 显 示 不 同梯 度 分 布 系数 下 的 成分 分 布 曲线 。 当 Ｐ：１ （ ） 片叠 层法 薄片叠 层法 是先 用流 延法 制取具 ５薄 时 ， 分 随着材料 的厚 度呈 直线变 化 ； Ｐ＜１ ， 成 当 时 Ａ相 有 不 同成 分 的薄 片 ，然后将 薄 片叠 层成 Ｆ Ｍ 生坯 ， Ｇ 再
发 动机 。
承受 极 低 的温 度 。设计 在 这种 环 境里 使 用 的 Ｆ Ｍ时 ， Ｇ
梯度功能材料发展现状及趋势论文
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。
梯度功能材料技术介绍
THANKS
感谢观看
应用领域
01
02
03
航空航天
梯度功能材料在航空航天 领域中广泛应用于制造高 性能的航空器和航天器。
汽车工业
在汽车工业中，梯度功能 材料被用于制造高性能的 汽车零部件，提高汽车的 安全性和可靠性。
医疗器械
在医疗器械领域，梯度功 能材料被用于制造高性能 的医疗设备和器械，提高 医疗效果和安全性。
03
航天器结构
在航天器中，梯度功能材料用于制造 结构件，如卫星天线和太阳能电池板 ，以抵抗空间环境中的极端条件。
在汽车工业领域的应用
发动机部件
梯度功能材料用于制造汽车发动机部件，如气缸套和活塞环，以提高发动机效率和耐久性。
轻量化设计
在汽车设计中，梯度功能材料用于制造轻量化零部件，如刹车盘和轮毂，以提高燃油经济性和车辆性 能。
梯度功能材料在力学、热学、光学和生物医学等领域展现出优异的性能，为解决传统材料面临的挑战 提供了新的解决方案。
通过先进的制备技术和结构设计，实现了梯度功能材料性能的可调控性，为个性化需求提供了广阔的应 用前景。
梯度功能材料在能源、环保和可持续发展等领域具有巨大的潜力，为推动社会进步和经济发展做出了重 要贡献。
其他制备方法
• 其他制备方法包括电泳沉积法、喷涂法、溶胶-凝胶 法等。这些方法在梯度功能材料的制备中也有一定 的应用，但相对于上述三种方法而言，其应用范围 和效果有限。
04
梯度功能材料的应用案例
在航空航天领域的应用
航空发动机叶片
梯度功能材料用于制造航空发动机叶 片，能够承受极高的温度和压力，提 高发动机性能和效率。
气相沉积法
气相沉积法是一种利用气态物质在基材上沉积成膜的制备方 法。在梯度功能材料的制备中，可以通过调节沉积过程中的 各种参数，如温度、压力、反应气体流量等，使不同材料在 不同位置以不同的速率沉积，从而形成梯度结构。
基于增材制造的功能梯度材料及其结构研究综述
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。
功能梯度材料讲义
传统制备方法的缺陷
快速原型制备方法
应用实例和发展前景
功能梯度材料 (FGM)定义
指一类组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的 非均质复合材料 （Funcitionally Graded Materials） 从组成变化来看，梯度功能材料可以分为3类：梯度功能整体型；梯 度功能涂覆型，梯度功能连接型。按应用领域来分：耐热功能梯度 材料、生物功能梯度材料、化学工程功能梯度材料和电子工程功能 梯度材料。
功能梯度材料的传统应用
功能梯度材料制备方法
FGM制备方法和设备存在的问题总结：
1. 设备针对性强，一种设备只能制备一种形状和结构的梯度材料
2. 只能制备形状和结构简单的梯度材料块、板和环，不能直接成型形 状结构复杂的零件
3. 不同材料组分只是一种自然状态下的简单混合，不能精确控制每种 材料组分相在构建中位置，不能正确反映设计者的意图，从而影响 了材料的性能。 4. 设备复杂，制备成本高
如图， 1700℃的ZrO2/Ni 梯度功能材料，其耐热材 料到金属的梯度渐变，消 除了材料组分相界，从而 克服由于材料热力学性能 不匹配而导致的零件失效 经验证，R0处的应力分 布为复合材料在界面处的 1/3---1/4
功能梯度材料的应用发展
当前的研究重点之一就是FGM模型在计算机内的表达问题
输出带几何信息和材料信息的二维接口文件
以航天飞机为例具体阐述功能梯度材料的应用
航天飞机推进系统中的超音速燃烧冲压式发动机中，燃烧气体温度通 常超过2000℃，对燃烧壁会产生强烈的热冲击，而燃烧壁另一侧受液 氢的冷却左右，温度为-200 ℃。金属的耐低温性和陶瓷的耐高温性结 合，但传统技术将金属和陶瓷结合起来，在极大的热应力下界面会受 到破坏。2003年“哥伦比亚”航天飞机失事的主要原因就是绝缘材料 脱落撞击到飞机左翼。
梯度功能材料表征技术研究进展
析 、 分析 、 热 光谱 分析 、 能谱 分析 、 素分 析 、 元 ｘ射 线衍射 、 电子探 针 等 测 试 方 法在梯 度 功 能材 料 表征 技 术 中的应 用， 分析 了表征 这种 非均 质材料 存在 的 困难 ， 同时展 望 了梯度 功 能材 料表 征技 术 的发 展趋 势 。
关 键 词 梯度功 能材料 表征 进展
梯 度功 能材料 表征 技 术研 究进展 ／ 宦春 花 等
・ ８ １ １ ・
梯 度 功 能 材 料 表 征 技 术 研 究 进 展
宦春 花 ， 变 英 温
（Ｌ Ｊ 京工商大学材料科学 与工程 系 ， 北京 １０ ４ ） ０ ０ ８
摘要
梯 度功 能材料 是 一种非 均 匀材 料 ， 其表 征 方 法 与均 匀材料 之 间存 在较 大 差异 。综 述 了显微 镜 分
１ 显 微镜 技 术
１ １ 光学 显微镜 ．
光 学显微 镜具 有 直 观 、 制 样 要 求 低 等 特 点 ， 考 察 材 对 是 料形 态简 单而 实 用 的 方法 。用 该方 法 表 征 Ｆ Ｍ ， 能从 宏 Ｇ 既
观 上定性 地表 征组分 含量 的梯 度变 化 ， 能从 微 观 上 给 出结 又 构 的信 息 ， 别是 在 反射 模 式 下 可 直 接对 断 面进 行 观 测 ， 特 勿
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ Ｆｕ ｃｉｎ ｌｙ ｇ ａ ｉｎ ｔ ｒ ｌ （ ＧＭ ） ａｅ ｈ ｔｒｇ ｎ ｏ ｓｍａｅ ｉ１ Ｆｏ ｈｓ ｉｓ ｃ ａ ａｔｒｚ ｔ ｎ ｎ ｔ ａｌ ｒｄｅ ｔｍａ ｅｉ ｓ Ｆ ｏ ａ ｒ ｅｅｏ ｅ ｅ ｕ ｔｒ ． ｒ ｔ ｉ，ｔ ｈ ｒ ｃｅ ｉａｉ ａ ｏ
Ｄｅ ｅ ｏ ｍ ｅ ｆ Ｃｈ ｒ ｃ ｅ ｉ ａ ｉ ｎ Ｔｅ ｈｎ ｑｕ ｓ ｆ ｒ Ｆｕ ｔｏ ｌｙ Ｇｒ ｄｉｎｔＭ ａ ｅ ｉ ｌ ｖ ｌｐ ｎｔｏ ａ ａ ｔ ｒ ｚ ｔｏ ｃ ｉ ｅ ｏ ｎｃ ｉ ｎａ ｌ ａ ｅ ｔｒａ ｓ
功能梯度材料的研究进展
面温 差 约为 ｌ ０ ０℃的 新型 超 耐热 材 料 ．例 如航 天 飞 机发 动机 燃 烧室 壁 燃烧 气 体 一侧 温 度在 ２０ ０℃以上 ， ０ ０ 而另 一侧 直 接接 触 致 冷材 料液 氢 ，其 温 差 大于 ｌ ０ ０℃ ，机体 材 料 内部 将 产 生 巨大 的 热 应 力 ， 因而 对材 料 ０ 提 出十分 苛 刻 的要 求 ．分 散 均一 耐 热材 料 不能 满 足此 要 求 ． 目前广 泛 使用 的 隔热 性 耐热 材 料 由于存 在 明显 的相 面 ，两相 的 膨 胀 系数 很 大 ，加热 至 高温 将 产生 很 大 的 热应 力 ，使 涂 层 遭 到 破坏 甚 至 引起 重 大 事 故 ， 所 以此种 材 料也 不 能 使用 于 上述 环 境 ．功 能梯 度材 料 正 是在 此 种背 景 下提 出的 ，其成 分 和 结构 呈连 续 的梯 度变 化 ，从 而 消除 了 金属 、陶瓷 复 合材 料 之 间的 界面 ，这样 材 料 的力 学 、热 学 和化 学性 能 等将从 材 料 的一 侧 向另 一侧 呈 连续 地 变化 ，从 而达 到缓 和 热应 力 和耐 热 隔热 的 目的 ．
维普资讯
第２ ７卷 第 ５期
Ｖｏ ．２ ７ １ Ｎ０．５
西 南 师 范 大 学 学 报 （ 自然科 学版 ）
Ｊｕ ａ ｆ Ｓ ｕｈ ｅｔ Ｃ ｉａ Ｎ ｒ ａ ｎＹｒｉ （ Ｎ ｔ ａ ｃ ｎ ｅ ） ｏ ｒ ｌ ｏ ｔ ｓ ｈｎ ｏ ｌ ｉ ｓ ｙ ｎ ｏ ｗ ｍ ｅ ｔ ａ ｒｌ ｉ ｃ ｕ Ｓ ｅ
景 ．
关 键
词 ：功 能 梯 度 材 料 ；材 料设 计 ；材 料 制 备 ；持 性 评 价 文 献 标 识 码 ：Ａ
中 图 分 类 号 ：０６ ４
梯度功能材料的应用研究及发展趋势
２ 自蔓延高温合成法（ Ｈ ． ２ ￥ Ｓ）
自蔓延高温合 成法是一种利 用粉末混合物 间化 学反应产生的热量 ， 和反应 的 自 行传播 ， 进行材料合 成的方法 。 其主要是利用高放热反应的能量 ， 使化学
图 ２ 热 防 护 梯 度 功 能 材 料 的 逆 向设 计 框 图
界 面
热传导率 ２ 热 膨胀系数 ３
０（ ｜ ＝
）
（） １
鬻黧 隧掇疆 撂 麓 ｌ ｝ 霹ｌ 运 罄 器 鞫 疆 嚣 籀 捌 豳掇矧 露ｌ 稼 瑚堂隧 ｌ毽 ｌ ＯＩ ｌ
一
ｆ３ ＝ｌ ｌ — ＾ ｜ ６ Ｌ ｏ
２ 梯 度功能材 料的制备
蔓延高温合成 的合金系非常有限嘲 。 材料制备是 Ｆ Ｍ研究 中的核心 ， Ｇ 制备不 了性 能 且适于 自
． 良好且满足形状和结构的 Ｆ Ｍ，Ｇ Ｇ Ｆ Ｍ真正 的实用化 ２３ 粉末 冶 金法 粉末冶金法是将原料粉末均匀混合 ，然后 以梯 就无从谈起【 ３ ］ 。目前 ， 最常用的热防护梯度功能材料 ， 再 主要是陶瓷 ， 金属系梯度材料 ， 其制备技术综合 了超 度 分布 方式 逐层 排 列 ， 压 制 烧结 而 成 梯度 功 能 细、 超微细粉 、 均质或非均质复合材料等微观结构控 材 料 。
梯度功能材料 的研究 ， 主要 围绕材料 的设计 、 制 传统 的材料设计 、 制备和评价中 ， 人们往往是追 求材料的均匀性 ， 以达到材料各部分性 能的一致 ， 使 备和特性评价这 ３ 个部分展开 。 材料 的性能发挥得最好 。后来 ， 复合材 料的出现 ， 人 们仍然要求组成复合材料的各部分成分 ，分布尽量 １ 梯度 功能材料 的设计 均 匀 。但 是 ， 一 些特 殊 场 合 ， 要 耐 热 、 磨 、 蚀 在 需 耐 耐 的要求 ， 材料 内部 的在受到热 冲击和热循环时 ， 匀质 梯度功能材料设计 ， 是采用逆设计方法 ， 根据材 材料往往达不到所要求 的性能 ，复合材料 由于组成 料实 际使用的工况条件 ， 得出热力学边界条件 ， 然后 成分物性参数 或弹性模量相差太大 ，而在界 面处产 从 已有 的材料合成及性能知识库 中 ，选择有可能合 生很大的应力 ， 甚至使之产生裂纹或剥离 。 成的材料组合体系及制备方法 ，借助计算机辅助设 所 以 ， 种 新 的材料 急 需填 补 空 白。 １８ 一 ９ ４年 ， 计和迭代运算 ， 日 建立准确的计算模型 ， 求得最佳 的材 本材料学家新野正之等人提出了梯度材料的概念 ， 其 为一种成分分布沿一定方 向呈梯度变化 、 性能也随之 呈 梯度 变 化 的非 匀质 新 型材料 。材料 一 面采 用 耐热 、 耐磨 、 耐蚀 的材 料 ， 一 面采 用 具 有 一定 强 度 和韧 性 另 料组合 、 内部组成分布 、 微观组织 以及合成条件 ， 将 获得的结果提交材料合 成部 门，根据要求进行梯度
功能梯度材料制备工艺及研究进展
些科学家Ｉ １ ８ 年首先提出了功能梯度材料的概念 ， ７ 吁 ９ 解决了
在设计制造新一代航天飞机热保护系统中所出现的一系列问题 ， 研制开发出表面使用温度达 ２ ０ Ｋ、 ０ ０ 表里 温度 相差 约 １０ Ｋ的 ００
温度梯度 的挑 战 ， 即便是陶瓷或金属复合 制备的材料 ， 由于两者 满足不 同部位对材料使用性能的要求。
女来稿 Ｌ期 ：０ １０ — ０ １ ２ １－ ６ ２
２６ ６ ２２ Ｆ ＿ ＧＭ 的制备技 术
２２ １ 气相 沉 积 法 ．．
刘华炜等 ： 能梯度材料 制备 Ｘ艺及研 究进展 功 －
２ Ｆ Ｍ 的研 究现 状 Ｇ
２１ ＧＭ 的概念 及产 生背景 ． Ｆ
可 ２ ０世纪 ８ 代以来 ， ０年 随着航空航天工业 快速发展 ， 材料 隔 陷 。梯 度 材 料具 有 很 好 的可 设 计性 ， 以通 过有 针 对 性 地改 变 各
热性能成了最大 问题 ， 特殊服役环境使一部应力 分布 、
ｍ ｔｒ ｌ简称 Ｆ Ｍ） 为一种可设计材料 ， ａｅｉ ， ａ Ｇ 作 已成 为材料 制备领 域 研究热点之一 ， 与传统的复合材 料相 比 ， 梯度材料不仅提供了优 异的抗断裂和耐热冲击性能 ， 而且在超高温环境下具有优 良的隔 热性能 、 可设计性能 、 有效缓解材料内部热应力等各种特殊性能 ，
刘 华炜 刘学武 张广 文 （ 中国石 油化工 股份有 限公 司 青 岛安全工程研 究 院 ， 岛 ２ ６ ７ ） 青 ６ ０ １ （ 大连 理工大 学 化工 机械学 院 ， 大连 ｌ ６ １ ） １０ ２ Ｒｅ ｅ ｃ ｒ ｇ ｅ ｓ ａ ｄ ｐ ｅ ａｒ ｇ ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｆ ｕ ｃ ｉｎ ｌ ｒ ｄ ｄ ｍａ ｅｒ ｌ ｓ ａｒ ｈ ｐ ｏ ｒ ｓ ｎ ｒ ｐ ｉ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｎ ｔ ａ ｌ ｇ ａ ｅ ｔ ｉ ｎ ｆ ｏ ｙ ａ
功能梯度材料
功能梯度材料高温制备方法的现状与展望邓永存信晓兵（唐山钢铁集团公司第一钢轧厂河北唐山063009）摘要：功能梯度材料(FGM)是20世纪80年代出现的一种新型功能材料，它具有耐高温、耐磨损等许多优良性能，因此，在航空航天等很多领域得到了广泛的应用。
本文重点对功能梯度材料高温制备方法的现状进行了论述。
关键词：功能梯度材料；定义；应用；制备方法。
Actuality and prospect of high temperature producing methods offunctionally gradient materialsDENg Yong-cun, XIN Xiao-bing(Tang Steel，Tangshan Hebei 063009 China)Abstract: Functionally gradient materials (FGM), which are the new functional materials, appeared in the 1980's. They own supreme capabilities of resistance to elevated temperatures stand wear and tear etc., therefore, have been widely used in so many domains as aerospace. This paper introduces mainly the actuality of high temperature producing methods of FGM.Key words: functionally gradient materials (FGM); definition; application; producing methods.一、功能梯度材料功能梯度材料是近些年新发展起来的一种新型功能材料。
增材制造聚合物功能梯度材料研究进展
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 12 期增材制造聚合物功能梯度材料研究进展曹伯洵1，2，3，曹良成1（1 中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714；2 中国科学院大学重庆学院，重庆 400714；3中国科学院大学，北京 100049）摘要：聚合物功能梯度材料（PGMs ）是一种以聚合物为连续相，多种材质相互耦合，组成结构和性能在材料空间方向上进行连续梯度变化的非均质复合材料。
传统PGMs 制备方法存在原理复杂、难定制、通用性差等问题。
本文介绍了增材制造（AM ）基于“离散-堆积”的成型原理和优势，综述了适用于PGMs 的增材制造技术：熔融沉积成型、直写成型、立体光固化、喷射成型和选择性激光烧结的功能梯度材料成型基本原理、材料特点和性能。
虽然在增材制造制备PGMs 的过程中存在缺乏设计准则、表征方法和系统研究方法等问题。
但是，随着对增材制造新概念材料进行基础科学研究的深入，以及针对特定使役条件和工艺性能的具体应用不断发展，增材制造将成为PGMs 制备的一种极佳方法。
关键词：聚合物；复合材料；多尺度；功能梯度材料；增材制造中图分类号：TF145.9；TQ311 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）12-6429-09Advances of polymer functionally gradient materials byadditive manufacturingCAO Boxun 1，2，3，CAO Liangcheng 1(1 Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China;2Chongqing School, University of Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China;3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)Abstract: Polymer functionally gradient materials (PGMs) are heterogeneous polymer-based composites, where their compositions or structures change continuously in one or multi-spatial directions. Traditional methods for preparing PGMs suffer from complexity, customization difficulties, and poor universality. This article introduced the advantages of additive manufacturing(AM) based on the “discrete-stacking”principle and summarized the fundamental principles, material characteristics and properties of PGM formation using AM techniques, including fused deposition molding, direct ink writing, vat photopolymerization, materials jetting and selective laser sintering. Although preparing PGMs using AMposed challenges such as the lack of design criteria, characterization methods and systematic research methods, AM would become an excellent method for PGM preparation with the deepening of basic scientific research on new AM materials and the continuous development of specific applications for service conditions and process performance.综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0056收稿日期：2023-01-12；修改稿日期：2023-03-07。
基于增材制造的功能梯度材料及其结构研究综述
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
耐热 、耐蚀 、耐磨 、高的强韧性
反应堆主壁及周边 、等离子体测量
耐放射性 、耐热应力 、透光性 、耐辐射性
大功率激光棒 、复印机透镜 、光纤接口等
热应力缓和 、重量轻 、光电性 、梯度折射
高分子膜 、催化剂 、反应容器 、燃烧电池等
耐热 、耐腐蚀 、高强度 、高寿命等
人造牙齿 、骨骼 、关节 、器官 、仿生工程制品
从 20世纪 80年代末到 90 年代初 ,在德国 、瑞 士 、美国 、中国和俄罗斯等 —些国家 ,功能梯度材料
的研究迅速成为材料研究的活跃项目 [ 2 ] 。如美国 在 1993年国家标准技术研究所开始开发以超高温 耐热氧化保护涂层为目标的大型功能梯度材料研究 项目 [ 9 ] ; 1995年在德国发起了一项 6年国家协调计 划 ,这项计划的一个主要特征就是把公认的重点放 在功能梯度材料的制备上 [ 10 ] 。
·6·
金 属 制 品
第 31卷
工业领域 宇航工业 机械工程 核能工程 光电工程 化学工程 生物医学 电磁工程 信息工程 民用及建筑
表 1 FGM 的应用举例
应用举例
功 能
航天飞机机体 、发动机燃烧室内壁
耐热冲击 、隔热 、耐热疲劳 、热应力缓和
发动机 、工具模 、轴承 、制动器及其他零部件
高的比强度 、比模量 、自行愈合 、修复等
陶瓷过滤器 、振荡器 、磁盘 、永磁体 、电磁体等
电磁梯度功能 ,导电及绝缘梯度功能等
光纤元件 、一体化传感器 、声音传感器
提高信息传递精度 、适应环境 、减轻重量
纸 、纤维 、衣物 、食品 、炊具 、建材
隔热防寒 、营养保健 、减震降噪等
2 功能梯度材料的设计和制备研究 2. 1 设计原理的研究
Abstract The background, the current status and the app lication p rospect of functionally gradient materials are summa2 rized. The research development of design, fabrication and p roperty evaluation of FGM are expounded. M any fabricating methods such as powder metallurgy, self2p ropagating high2temperature synthesis, p lasma sp ray and so on are especially dis2 cussed. Keywords FGM; material design; material fabrication; p roperty evaluation
华中理工大学 、清华大学 、中南工业大学 、哈尔 滨工业大学 、天津大学 、沈阳金属所和西北工业大学 等单位也相继进行了这方面的工作 ,并且在材料设 计 、工艺合成和评估等方面做了大量工作 ,取得了可 喜的成果 [ 8 ] 。 1. 3 应用前景
虽然功能梯度材料的开发是针对航空航天领域 应用的超耐热材料 ,但由于 FGM 具有均质复合材料 和复合材料无法比拟的优点 ,因为 FGM 通过金属 、 陶瓷 、塑料等不同有机和无机物质的巧妙结合 ,所以 FGM 的用途已由原来的宇航工业 , 扩大到机械工 程 、核能源 、电子 、化学 、光学 、生物医学工程 、信息工 程 、民用及建筑等领域 [ 11 - 12, 15 ] ,应用前景十分广阔 , 应用举例见表 1。
技术与工程 , 2004 (3) : 236～243 (收稿日期 : 2005 - 07 - 14)
作者简介 姚红江 1960年 3月生 , 教授级高级工程师 , 在读管理学
博士 ,新华金属制品股份有限公司总经理 。
第 4期
庞建超等 :功能梯度材料的发展与制备方法的研究
·5·
料研究的更多关注 。
功能梯度材料的设计一般采用逆设计系统 ,即 根据实际使用条件进行 FGM 组成和结构梯度分布 的设计 。以热应力缓和 FGM 为例 ,根据使用的热环 境和构件形状 ,确定热应力学边界条件 ;以知识库为 基础选择可供合成的 FGM 材料组合体系和制备方 法 ;然后选择成分呈梯度变化的分布函数 ,按照材料 的复合规律 、微观力学理论 、材料性能数据库等进行 材料的性能推断 ,最后实施温度分布和热应力计算 。 变换梯度成分分布函数和材料组合 ,反复上述过程 可得到热应力最小的组合和梯度成分的 FGM。最 后将设计结果提交材料合成部门 ,合成后的材料经 过评价再反馈到材料设计部门 [ 16 - 17 ] 。
功 能 梯 度 材 料 ( Functionally Gradient M aterial 简称 FGM )是由一种全新的设计概念而开发的新 型功能材料 [ 1 ] 。以计算机辅助材料设计为基础 ,采 用先进的材料复合技术 ,使构成材料的要素 (组成 、 结构等 )在几何空间上呈连续变化 ,从而使材料的 性质和功能也呈梯度变化 [ 1 - 2 ] 。功能梯度材料是 用来生产微观结构或成分逐步过渡的构件 。这种 设计要求功能材料性能随机件内部位置而变化 ,这 些要求通过优化构件的整体性能而得到满足 [ 3] 。
Study on D evelopm en t and Fabr ica tion of Functiona lly Grad ien t M a ter ia l
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
P a ng J ia nchao Gao Fubao C ao Xiaom ing
( Hebei U n iversity of Technology T ianJ in 300130 )
早在 1987年 ,日本制定了有关功能梯度材料研 究的庞大计划 ,该项计划包括适合于金属和陶瓷功 能梯度的各种无机复合体系的制备 、设计和评估 ,这 项计划于 1991年完成 。在这最初的尝试之后 , 1993 年又提出另一项以能量转化系统为重点的研究计 划 ,并将其列入日本科学厅资助的重点研究开发项 目 [ 2 ] ,由于日本政府的重视 ,一些科研单位及公司 取得了许多科研成果 [ 7 ] :日本东北大学金属材料研 究所使用 CVD 通过控制原料气体的碳化硅和碳的 比例 ,合成了厚度为 0. 4 mm 的 SiC - C系功能梯度 材料 ,通过激光冲击实验结果证明 ,该材料具有极优 良的耐热冲击性能 。大森守等采用放电等离子烧结 工艺研制出 WC系梯度切削工具材料 。大口爱子等 用放电等离子烧结法研制出 Cu - A l2 O3 - Cu对称 型梯度材料 。该材料具有高的热传导率 、电绝缘性 和优异的平面内导电率 [ 8 ] 。
第 31卷 第 4期 Vol131 No14
金 属 制 品 Steel W ire Products
2005 年 8 月 August 2005
功能梯度材料的发展与制备方法的研究
庞建超 高福宝 曹晓明
(河北工业大学 天津 300130)
摘 要 综述功能梯度材料的产生背景 、研究现状和应用前景 ;阐述功能梯度材料的设计 、制备和性能评价等方面 的研究进展 ,并就粉末冶金 、自蔓延高温合成法和等离子喷涂等多种制备方法展开重点讨论 。 关键词 功能梯度材料 ;材料设计 ;材料制备 ;性能评价 中图分类号 TB34; TB39
1 功能梯度材料的研究进展 1. 1 产生背景
功能梯 度材 料 的 应 用 已 有 数 千 年 的 历 史 [ 4 ] 。 作为一个概念是由 B ever和 Duwez于 1972 年提出 的 [ 5 ] ,而作为一个规范化正式的概念和材料科学与 工程类的国家研究项目 ,“功能梯度材料 ”这个词起 源于 20世纪 80年代中期的日本 。日本学者平井敏 雄 、新野正之等人于 1987 年开始进行这方面的研 究 [ 6 ] 。他们的构想与航天技术的发展密切相关 ,目 的在于研究开发出表面使用温度达 1 800 ℃,表面 温差约为 1 000 ℃的新型超耐热材料 。例如航天飞 机发动机燃烧室壁燃烧气体一侧温度在 2 000 ℃以 上 ,而另一侧直接接触致冷材料液氢 ,巨大的温差将 使材料内部产生巨大的应力 。目前广泛使用的隔热 性耐热材料由于存在明显的相界面 ,两相的膨胀系 数很大 ,加热至高温将产生很大的热应力 ,使涂层遭 到破坏甚至引起重大事故 ,所以此种材料也不能使 用于上述环境 。功能梯度材料的成分和结构呈连续 的梯度变化 ,从而消除了金属 、陶瓷复合材料之间的 界面 ,这样材料的力学 、热学和化学性能等将从材料 的一侧向另一侧呈连续地变化 ,达到缓和热应力和 耐热隔热的目的 ,从而满足上述使用要求 。 1. 2 发展现状
City: Harper Business, 1993, 20 2 Potter, M K De Jong. Cooperative Coevolution: An A rchi2
tecture for Evolving Coadap ted Subcomponents [ J ]. Evolu2 tionary Computation, 2000, 8 (1) : 1～29 3 安久胜 ,赵红. 企业竞争优势的生态观诠释 [ J ]. 企业经 济 , 2004 (1) : 120～122
功能梯度材料应用范围很广 ,使用方法也很多 ,
在金属制品行业也有不少应用 ,例如 ,为了保证拉丝 机卷筒有刚度 、有韧性并且耐磨 ,可采用渗碳 、渗氮 、 热喷涂硬质合金 、热喷涂陶瓷等方法 ;为提高拉丝模 的使用寿命 ,可采用化学气相沉积法对拉丝模进行 碳化钛 、氮化钛等涂层 ;为了增加钢丝与橡胶的结合 力 ,采用热扩散镀黄铜的方法 ,形成内层与钢有良好 结合力 、外层与橡胶有良好结合力的性能呈梯度变 化的镀黄铜钢丝功能材料 。