梯度功能材料1
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10
热防护梯度功能材料的制备方法
• 气相沉积法（CVD/PVD） 气相沉积法（CVD/PVD） 等离子喷射沉积法(PS) 等离子喷射沉积法(PS) 颗粒梯度排列法 自蔓延高温合成法(SHS) 自蔓延高温合成法(SHS) 激光熔覆法
11
化学气相沉积法（ 化学气相沉积法（CVD） ）
热应力缓和型 SiC/C 梯度材料的 CVD合成原料 合成原料： CVD合成原料： SiCl4+CH4+H2 H2-载体气体 液态） SiCl4（液态）—硅 源 CH4—C源 发热体－ 发热体－石墨 基板－ 基板－石墨
梯度复合管
6
• 1993 年 ， 美国国家标准技术研究所开始以 “ 开发超高温 1993年 美国国家标准技术研究所开始以“ 耐氧化保护涂层”为目标进行梯度功能材料研究。 耐氧化保护涂层”为目标进行梯度功能材料研究。 • 最近，通过改变复合两相的配制，在复合材料内部形成 最近，通过改变复合两相的配制， 精细的构造梯度。 精细的构造梯度。 • 梯度功能材料已经发展成为当前结构材料和功能材料研 究领域中的重要主题之一。 究领域中的重要主题之一。
5
• 1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出 1987年 日本平井敏雄 新野正之和渡边龙三人提出 平井敏雄、 使金属和陶瓷复合材料的组分、 使金属和陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连续变 化的热防护梯度功能材料的概念。 化的热防护梯度功能材料的概念。 • 1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。 1990年 日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。
采用此法可制备Ti— 采用此法可制备Ti— Ti A1、WC—Ni、A1一 A1、WC—Ni、A1一 SiC系梯度功能材料 SiC系梯度功能材料
激光熔覆将材料A合金化到材料B制备FGM示意图 激光熔覆将材料A合金化到材料B制备FGM示意图 FGM 19
航天方面
• 90年代初，日本开发了小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的梯 90年代初，日本开发了小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的梯 年代初 度功能材料，目前已研制出能耐1700℃的ZrO2/Ni梯度功能材 度功能材料， 目前已研制出能耐1700℃ /Ni梯度功能材 1700 用作马赫数大于20的并可重复使用的航天飞机机身材料 20的并可重复使用的航天飞机机身材料。 料，用作马赫数大于20的并可重复使用的航天飞机机身材料。 • 空天飞机高速飞行时机身和机翼的温度也高达上千K，只能采 空天飞机高速飞行时机身和机翼的温度也高达上千K 用热防护梯度材料解决热应力问题。 用热防护梯度材料解决热应力问题。 • 梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。 梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。 喷气燃烧器
9
• 金属-陶瓷构成的热应力缓和梯度功能材料，对高 金属- 陶瓷构成的热应力缓和梯度功能材料， 温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料， 温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料 ， 低温侧壁使用 导热和强度好的金属材料。 导热和强度好的金属材料。
材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低， 材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，机 械强度逐渐升高。 械强度逐渐升高。 热应力在材料两端均很小， 热应力在材料两端均很小，在材料中部过渡区达到峰值 (比突变界面的应力峰值小得多)， 比突变界面的应力峰值小得多) 具有缓和热应力的功能。 具有缓和热应力的功能。 金属和陶瓷构成的材料特性 （a）无梯度 （b）有梯度
12
过程： 过程：
通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定的条件下发生 化学反应，使生成物在基板上沉积。
特点： 特点：
1.调节气体的流量和压力控制组分比 1. 2.可镀表面形状复杂的材料 3.沉积面光滑致密 4.沉积率高
应用： 应用：
Ti／TiC、Ti／TiN、Cr／CrN、SiC／C／TiC等
PVD镀膜器件 镀膜器件
15
等离子喷射法（ ） 等离子喷射法（PS）
• 等离子体喷涂能同时熔化难熔相和金属，通过控制两种粉末的 等离子体喷涂能同时熔化难熔相和金属， 相对供给速率来预先设置混合配比。 相对供给速率来预先设置混合配比。 • 使用粉末作为喷涂材料，以氦气、氩气等气体为载体，吹入高 使用粉末作为喷涂材料，以氦气、氩气等气体为载体， 温等离子体射流。等离子体射流把能量传递给颗粒， 温等离子体射流。等离子体射流把能量传递给颗粒，粉末被熔 融后进一步加速，高速冲撞在基材表面形成涂层。 融后进一步加速，高速冲撞在基材表面形成涂层。涂层具有相 对低的孔隙率。 对低的孔隙率。 • 等离子喷涂适合形状复杂表面的梯度涂覆加工。 等离子喷涂适合形状复杂表面的梯度涂覆加工。 形状复杂表面的梯度涂覆加工
竹子
4
• 人造梯度功能材料也不是新 事物。 事物。越王勾践剑深埋地下 2400多年 1965年出土时依 多年， 2400多年，1965年出土时依 旧寒光逼人，锋利无比。 旧寒光逼人，锋利无比。 • 剑的主要成分是铜、锡及少 剑的主要成分是铜、 量铝、 量铝、铁、镍、硫。 • 剑的各部位铜和锡的比例不 形成良好的成分梯度。 一，形成良好的成分梯度。
梯度功能材料
Functionally Gradient Materials
陈琳
1
主要内容
梯度功能材料的链接 梯度功能材料的原理及特点 热防护梯度功能材料的制备方法 梯度功能材料的应用及展望
2
梯度功能材料的链接
FGM
是两种或多种材料复合成组分和结构呈 连续梯度变化的一种新型复合材料。 连续梯度变化的一种新型复合材料。
8
• 梯度功能材料主要特征有： 梯度功能材料主要特征有： 材料的组分和结构呈连续性梯度变化； 材料的组分和结构呈连续性梯度变化； 材料内部没有明显的界面； 材料内部没有明显的界面； 材料的性质也呈连续性梯度变化。 材料的性质也呈连续性梯度变化。
•ZrO2-CrNi合金FGM横截 ZrO CrNi合金FGM横截 合金FGM 面，白色的陶瓷粉末与黑 色的合金粉末含量呈连续 性梯度变化， 性梯度变化，没有明显的 界面， 界面，
13
物理气相沉积法（ 物理气相沉积法（PVD） ）
控制因素： 控制因素： 1.蒸发速度 1.蒸发速度 2.蒸发物质的组成 2.蒸发物质的组成 3.基板温度 3.基板温度 4.反应气体的导入量 4.反应气体的导入量 阴极： 阴极：中空 阳极： 阳极：铜坩锅 氩气： 氩气：阴阳极放电时 氩气电离产生 氩等离子体 坩锅中金属： 坩锅中金属： 受热、 熔融、 受热、 熔融、 蒸发、 蒸发、沉积于 基板
航空母舰甲板
21
汽车方面
• 为对柴油机或汽油机活塞头进行热保护，需在钢基底 为对柴油机或汽油机活塞头进行热保护， 涂层。 上喷涂厚度大于2mm的 上喷涂厚度大于2mm的ZrO2涂层。如果直接在金属上 覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。 覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。 • 通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属-陶瓷复合梯度 通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。 涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。
自蔓延高温合成
17
颗粒梯度排列法
是类似于粉末冶金法的一种烧结方法， 是类似于粉末冶金法的一种烧结方法，可 分为颗粒直接填充法 薄膜叠层法。 颗粒直接填充法和 分为颗粒直接填充法和薄膜叠层法。 优点： 优点：可制备大体积的梯度材料 缺点：工艺复杂，一定的孔隙率， 缺点：工艺复杂，一定的孔隙率，尺寸受 模限制。 模限制。 颗粒直接填充法：将金属、陶瓷等粒子按 颗粒直接填充法：将金属、 一定的梯度分布直接填充到模具中经过加 压、烧结而成 薄膜叠层法： 薄膜叠层法：将金属和陶瓷粉末掺人微量 胶粘剂、分散剂等，振动磨制成泥浆， 胶粘剂、分散剂等，振动磨制成泥浆，脱 气压膜， 气压膜，再将这些不同成分和结构的薄膜 叠层、 叠层、烧结
14
过程： 过程： 通过加热等物理方法使源物质(如金属等)蒸发， 通过加热等物理方法使源物质(如金属等)蒸发，使蒸气直接沉 积在基板上成膜， 积在基板上成膜，或与反应气体作用并在基板上沉积 特点： 特点： 1.物系的选择面宽 1.物系的选择面宽 2.产物纯度高 2.产物纯度高 3.组成控制精度高 3.组成控制精度高 4.可制多层不同物质的膜 4.可制多层不同物质的膜 5.膜薄 膜薄， 5.膜薄，每层膜为一种物质 应用：合成各种金属和包括氧化物、氮化物、 应用：合成各种金属和包括氧化物、氮化物、碳化物在内的 陶瓷以及金属/ 陶瓷以及金属/陶瓷的复合物
等离子喷涂
16
自蔓延高温合成法（SHS） 自蔓延高温合成法（ ）
• 通过初始反应物浓度分布的空间变化，利用粉末混合 通过初始反应物浓度分布的空间变化， 物化学反应产生的热量和反应自传播性，使材料燃烧 物化学反应产生的热量和反应自传播性， 合成来制备FGM的方法称为自蔓延高温合成法。 FGM的方法称为自蔓延高温合成法 合成来制备FGM的方法称为自蔓延高温合成法。 • 特点是利用放热反应的能量使化学反应自动持续下去 操作简单，反应迅速，最适合于生成热大的化合物 ，操作简单，反应迅速，最适合于生成热大的化合物 的合成． AlN、TiC、 的合成．如AlN、TiC、TiB2等。
通过粉末混合烧结形成的 FGM结构示意图 FGM结构示意图
18
激光熔覆法
• 把材料A放到基体B表面上，用激光将其与B基体中表 把材料A放到基体B表面上，用激光将其与B 面薄层一起熔化， 表面形成B合金化的A 面薄层一起熔化，在B表面形成B合金化的A层。 • 重复操作，在B表面产生B含量逐渐减少的梯度。 重复操作， 表面产生B含量逐渐减少的梯度。 • 梯度变化可通过控制初始A层的数量、厚度及熔区深 梯度变化可通过控制初始A层的数量、 度来获得。 度来获得。
摩擦升温后， 摩擦升温后，梯度材料变化较小 ，普通材料则变成兰紫色
7
梯度功能材料的原理及特点
• 梯度功能材料由几种性质不同的材料组成，但与 梯度功能材料由几种性质不同的材料组成， 复合材料之间有明显区别。 复合材料之间有明显区别。
梯度功能材料与复合材料比较
材料 设计思想 结合方式 微观组织 宏观组织 功能 复合材料 材料优点的相互 复合 化学键/ 化学键/物理键 界面处非均质 均质/ 均质/突变 一致 梯度材料 特殊功能为目标 分子间力/化学键/ 分子间力/化学键/物 理键 均质/ 均质/非均质 非均质（连续变化） 非均质（连续变化） 梯度化
柴油机活塞头汽油机活塞头 Nhomakorabea22
核反应方面
• 核反应堆内壁温度高达数千K 核反应堆内壁温度高达数千K • 如果其内壁材料采用单纯双层结构，热传导不好，孔 如果其内壁材料采用单纯双层结构，热传导不好， 洞较多，热应力下有剥离倾向。 洞较多，热应力下有剥离倾向。 • 采用金属/陶瓷结合的梯度材料，能消除热传递及热 采用金属/陶瓷结合的梯度材料， 膨胀引起的应力，解决界面问题， 膨胀引起的应力，解决界面问题，可替代目前不锈钢 陶瓷复合材料。 /陶瓷复合材料。
火箭燃烧室
空天飞机
20
船舶方面
• 在舰船甲板上可采用含 热障的、 抗摩擦 或 抗冲击 的 在舰船甲板上可采用含热障的 、 抗摩擦或 抗冲击的 热障的 梯度功能材料涂层， 或设计连续增强纤维排列 的逐 梯度功能材料涂层 ， 或设计 连续增强纤维排列的逐 连续增强纤维排列 级梯度， 显著提高它们的缺口阻力， 级梯度 ， 显著提高它们的缺口阻力 ， 抑制微观裂纹 扩张， 扩张 ， 大幅改善甲板的抗高应变速率变形和冲击性 舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义 器具有重要意义。 能，对舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义。
梯度功能材料制备的耐磨轴承，外表面为陶瓷， 梯度功能材料制备的耐磨轴承，外表面为陶瓷， 内表面为金属
3
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， 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。 应力。 • 生物的梯度结构与人造梯度结 构之间存在很大差异。 构之间存在很大差异 。 有生命 的 FGM是 “ 智能的 ” ， 它们能 是 智能的” 感受所处环境的变化(包括局部 感受所处环境的变化 包括局部 应力集中)， 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。 前还缺乏这种功能。
热防护梯度功能材料的制备方法
• 气相沉积法（CVD/PVD） 气相沉积法（CVD/PVD） 等离子喷射沉积法(PS) 等离子喷射沉积法(PS) 颗粒梯度排列法 自蔓延高温合成法(SHS) 自蔓延高温合成法(SHS) 激光熔覆法
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化学气相沉积法（ 化学气相沉积法（CVD） ）
热应力缓和型 SiC/C 梯度材料的 CVD合成原料 合成原料： CVD合成原料： SiCl4+CH4+H2 H2-载体气体 液态） SiCl4（液态）—硅 源 CH4—C源 发热体－ 发热体－石墨 基板－ 基板－石墨
梯度复合管
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• 1993 年 ， 美国国家标准技术研究所开始以 “ 开发超高温 1993年 美国国家标准技术研究所开始以“ 耐氧化保护涂层”为目标进行梯度功能材料研究。 耐氧化保护涂层”为目标进行梯度功能材料研究。 • 最近，通过改变复合两相的配制，在复合材料内部形成 最近，通过改变复合两相的配制， 精细的构造梯度。 精细的构造梯度。 • 梯度功能材料已经发展成为当前结构材料和功能材料研 究领域中的重要主题之一。 究领域中的重要主题之一。
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• 1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出 1987年 日本平井敏雄 新野正之和渡边龙三人提出 平井敏雄、 使金属和陶瓷复合材料的组分、 使金属和陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连续变 化的热防护梯度功能材料的概念。 化的热防护梯度功能材料的概念。 • 1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。 1990年 日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。
采用此法可制备Ti— 采用此法可制备Ti— Ti A1、WC—Ni、A1一 A1、WC—Ni、A1一 SiC系梯度功能材料 SiC系梯度功能材料
激光熔覆将材料A合金化到材料B制备FGM示意图 激光熔覆将材料A合金化到材料B制备FGM示意图 FGM 19
航天方面
• 90年代初，日本开发了小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的梯 90年代初，日本开发了小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的梯 年代初 度功能材料，目前已研制出能耐1700℃的ZrO2/Ni梯度功能材 度功能材料， 目前已研制出能耐1700℃ /Ni梯度功能材 1700 用作马赫数大于20的并可重复使用的航天飞机机身材料 20的并可重复使用的航天飞机机身材料。 料，用作马赫数大于20的并可重复使用的航天飞机机身材料。 • 空天飞机高速飞行时机身和机翼的温度也高达上千K，只能采 空天飞机高速飞行时机身和机翼的温度也高达上千K 用热防护梯度材料解决热应力问题。 用热防护梯度材料解决热应力问题。 • 梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。 梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。 喷气燃烧器
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• 金属-陶瓷构成的热应力缓和梯度功能材料，对高 金属- 陶瓷构成的热应力缓和梯度功能材料， 温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料， 温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料 ， 低温侧壁使用 导热和强度好的金属材料。 导热和强度好的金属材料。
材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低， 材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，机 械强度逐渐升高。 械强度逐渐升高。 热应力在材料两端均很小， 热应力在材料两端均很小，在材料中部过渡区达到峰值 (比突变界面的应力峰值小得多)， 比突变界面的应力峰值小得多) 具有缓和热应力的功能。 具有缓和热应力的功能。 金属和陶瓷构成的材料特性 （a）无梯度 （b）有梯度
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过程： 过程：
通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定的条件下发生 化学反应，使生成物在基板上沉积。
特点： 特点：
1.调节气体的流量和压力控制组分比 1. 2.可镀表面形状复杂的材料 3.沉积面光滑致密 4.沉积率高
应用： 应用：
Ti／TiC、Ti／TiN、Cr／CrN、SiC／C／TiC等
PVD镀膜器件 镀膜器件
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等离子喷射法（ ） 等离子喷射法（PS）
• 等离子体喷涂能同时熔化难熔相和金属，通过控制两种粉末的 等离子体喷涂能同时熔化难熔相和金属， 相对供给速率来预先设置混合配比。 相对供给速率来预先设置混合配比。 • 使用粉末作为喷涂材料，以氦气、氩气等气体为载体，吹入高 使用粉末作为喷涂材料，以氦气、氩气等气体为载体， 温等离子体射流。等离子体射流把能量传递给颗粒， 温等离子体射流。等离子体射流把能量传递给颗粒，粉末被熔 融后进一步加速，高速冲撞在基材表面形成涂层。 融后进一步加速，高速冲撞在基材表面形成涂层。涂层具有相 对低的孔隙率。 对低的孔隙率。 • 等离子喷涂适合形状复杂表面的梯度涂覆加工。 等离子喷涂适合形状复杂表面的梯度涂覆加工。 形状复杂表面的梯度涂覆加工
竹子
4
• 人造梯度功能材料也不是新 事物。 事物。越王勾践剑深埋地下 2400多年 1965年出土时依 多年， 2400多年，1965年出土时依 旧寒光逼人，锋利无比。 旧寒光逼人，锋利无比。 • 剑的主要成分是铜、锡及少 剑的主要成分是铜、 量铝、 量铝、铁、镍、硫。 • 剑的各部位铜和锡的比例不 形成良好的成分梯度。 一，形成良好的成分梯度。
梯度功能材料
Functionally Gradient Materials
陈琳
1
主要内容
梯度功能材料的链接 梯度功能材料的原理及特点 热防护梯度功能材料的制备方法 梯度功能材料的应用及展望
2
梯度功能材料的链接
FGM
是两种或多种材料复合成组分和结构呈 连续梯度变化的一种新型复合材料。 连续梯度变化的一种新型复合材料。
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• 梯度功能材料主要特征有： 梯度功能材料主要特征有： 材料的组分和结构呈连续性梯度变化； 材料的组分和结构呈连续性梯度变化； 材料内部没有明显的界面； 材料内部没有明显的界面； 材料的性质也呈连续性梯度变化。 材料的性质也呈连续性梯度变化。
•ZrO2-CrNi合金FGM横截 ZrO CrNi合金FGM横截 合金FGM 面，白色的陶瓷粉末与黑 色的合金粉末含量呈连续 性梯度变化， 性梯度变化，没有明显的 界面， 界面，
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物理气相沉积法（ 物理气相沉积法（PVD） ）
控制因素： 控制因素： 1.蒸发速度 1.蒸发速度 2.蒸发物质的组成 2.蒸发物质的组成 3.基板温度 3.基板温度 4.反应气体的导入量 4.反应气体的导入量 阴极： 阴极：中空 阳极： 阳极：铜坩锅 氩气： 氩气：阴阳极放电时 氩气电离产生 氩等离子体 坩锅中金属： 坩锅中金属： 受热、 熔融、 受热、 熔融、 蒸发、 蒸发、沉积于 基板
航空母舰甲板
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汽车方面
• 为对柴油机或汽油机活塞头进行热保护，需在钢基底 为对柴油机或汽油机活塞头进行热保护， 涂层。 上喷涂厚度大于2mm的 上喷涂厚度大于2mm的ZrO2涂层。如果直接在金属上 覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。 覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。 • 通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属-陶瓷复合梯度 通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。 涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。
自蔓延高温合成
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颗粒梯度排列法
是类似于粉末冶金法的一种烧结方法， 是类似于粉末冶金法的一种烧结方法，可 分为颗粒直接填充法 薄膜叠层法。 颗粒直接填充法和 分为颗粒直接填充法和薄膜叠层法。 优点： 优点：可制备大体积的梯度材料 缺点：工艺复杂，一定的孔隙率， 缺点：工艺复杂，一定的孔隙率，尺寸受 模限制。 模限制。 颗粒直接填充法：将金属、陶瓷等粒子按 颗粒直接填充法：将金属、 一定的梯度分布直接填充到模具中经过加 压、烧结而成 薄膜叠层法： 薄膜叠层法：将金属和陶瓷粉末掺人微量 胶粘剂、分散剂等，振动磨制成泥浆， 胶粘剂、分散剂等，振动磨制成泥浆，脱 气压膜， 气压膜，再将这些不同成分和结构的薄膜 叠层、 叠层、烧结
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过程： 过程： 通过加热等物理方法使源物质(如金属等)蒸发， 通过加热等物理方法使源物质(如金属等)蒸发，使蒸气直接沉 积在基板上成膜， 积在基板上成膜，或与反应气体作用并在基板上沉积 特点： 特点： 1.物系的选择面宽 1.物系的选择面宽 2.产物纯度高 2.产物纯度高 3.组成控制精度高 3.组成控制精度高 4.可制多层不同物质的膜 4.可制多层不同物质的膜 5.膜薄 膜薄， 5.膜薄，每层膜为一种物质 应用：合成各种金属和包括氧化物、氮化物、 应用：合成各种金属和包括氧化物、氮化物、碳化物在内的 陶瓷以及金属/ 陶瓷以及金属/陶瓷的复合物
等离子喷涂
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自蔓延高温合成法（SHS） 自蔓延高温合成法（ ）
• 通过初始反应物浓度分布的空间变化，利用粉末混合 通过初始反应物浓度分布的空间变化， 物化学反应产生的热量和反应自传播性，使材料燃烧 物化学反应产生的热量和反应自传播性， 合成来制备FGM的方法称为自蔓延高温合成法。 FGM的方法称为自蔓延高温合成法 合成来制备FGM的方法称为自蔓延高温合成法。 • 特点是利用放热反应的能量使化学反应自动持续下去 操作简单，反应迅速，最适合于生成热大的化合物 ，操作简单，反应迅速，最适合于生成热大的化合物 的合成． AlN、TiC、 的合成．如AlN、TiC、TiB2等。
通过粉末混合烧结形成的 FGM结构示意图 FGM结构示意图
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激光熔覆法
• 把材料A放到基体B表面上，用激光将其与B基体中表 把材料A放到基体B表面上，用激光将其与B 面薄层一起熔化， 表面形成B合金化的A 面薄层一起熔化，在B表面形成B合金化的A层。 • 重复操作，在B表面产生B含量逐渐减少的梯度。 重复操作， 表面产生B含量逐渐减少的梯度。 • 梯度变化可通过控制初始A层的数量、厚度及熔区深 梯度变化可通过控制初始A层的数量、 度来获得。 度来获得。
摩擦升温后， 摩擦升温后，梯度材料变化较小 ，普通材料则变成兰紫色
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梯度功能材料的原理及特点
• 梯度功能材料由几种性质不同的材料组成，但与 梯度功能材料由几种性质不同的材料组成， 复合材料之间有明显区别。 复合材料之间有明显区别。
梯度功能材料与复合材料比较
材料 设计思想 结合方式 微观组织 宏观组织 功能 复合材料 材料优点的相互 复合 化学键/ 化学键/物理键 界面处非均质 均质/ 均质/突变 一致 梯度材料 特殊功能为目标 分子间力/化学键/ 分子间力/化学键/物 理键 均质/ 均质/非均质 非均质（连续变化） 非均质（连续变化） 梯度化
柴油机活塞头汽油机活塞头 Nhomakorabea22
核反应方面
• 核反应堆内壁温度高达数千K 核反应堆内壁温度高达数千K • 如果其内壁材料采用单纯双层结构，热传导不好，孔 如果其内壁材料采用单纯双层结构，热传导不好， 洞较多，热应力下有剥离倾向。 洞较多，热应力下有剥离倾向。 • 采用金属/陶瓷结合的梯度材料，能消除热传递及热 采用金属/陶瓷结合的梯度材料， 膨胀引起的应力，解决界面问题， 膨胀引起的应力，解决界面问题，可替代目前不锈钢 陶瓷复合材料。 /陶瓷复合材料。
火箭燃烧室
空天飞机
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船舶方面
• 在舰船甲板上可采用含 热障的、 抗摩擦 或 抗冲击 的 在舰船甲板上可采用含热障的 、 抗摩擦或 抗冲击的 热障的 梯度功能材料涂层， 或设计连续增强纤维排列 的逐 梯度功能材料涂层 ， 或设计 连续增强纤维排列的逐 连续增强纤维排列 级梯度， 显著提高它们的缺口阻力， 级梯度 ， 显著提高它们的缺口阻力 ， 抑制微观裂纹 扩张， 扩张 ， 大幅改善甲板的抗高应变速率变形和冲击性 舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义 器具有重要意义。 能，对舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义。
梯度功能材料制备的耐磨轴承，外表面为陶瓷， 梯度功能材料制备的耐磨轴承，外表面为陶瓷， 内表面为金属
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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， 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。 应力。 • 生物的梯度结构与人造梯度结 构之间存在很大差异。 构之间存在很大差异 。 有生命 的 FGM是 “ 智能的 ” ， 它们能 是 智能的” 感受所处环境的变化(包括局部 感受所处环境的变化 包括局部 应力集中)， 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。 前还缺乏这种功能。