梯度功能材料讲稿
功能梯度材料组份
功能梯度材料组份功能梯度材料是一种特殊的材料，它在组成成分上呈现出梯度变化的特点。
这种材料的独特性质使其在许多领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍功能梯度材料的组份以及其在不同领域中的应用。
一、功能梯度材料的组份功能梯度材料的组份主要包括两个或多个不同的材料。
这些材料在组份上呈现出梯度变化，即从一个材料逐渐过渡到另一个材料。
这种组份的变化可以是连续的，也可以是离散的。
例如，一种常见的功能梯度材料是由陶瓷和金属组成的。
陶瓷具有优异的耐磨性和耐高温性能，而金属则具有良好的导电性和可塑性。
将这两种材料组合在一起，可以得到既具有良好耐磨性又具有良好导电性的材料。
二、功能梯度材料的应用领域1. 功能梯度材料在航空航天领域中的应用航空航天领域对材料的要求非常高，需要具有轻质、高强度、高温耐受性等特点的材料。
功能梯度材料可以满足这些要求。
例如，在航空发动机中使用功能梯度陶瓷涂层，可以提高发动机的燃烧效率和耐久性。
2. 功能梯度材料在医疗领域中的应用医疗领域对材料的要求也非常严格，需要具有生物相容性、耐腐蚀性等特点的材料。
功能梯度材料可以满足这些要求。
例如，在人工关节中使用功能梯度金属材料，可以提高关节的生物相容性和耐磨性。
3. 功能梯度材料在能源领域中的应用能源领域对材料的要求包括高效转化能源、储能和传输等。
功能梯度材料可以满足这些要求。
例如，利用功能梯度材料制备高效的太阳能电池，可以提高太阳能的转化效率。
4. 功能梯度材料在电子领域中的应用电子领域对材料的要求包括高导电性、低电阻率等。
功能梯度材料可以满足这些要求。
例如，在集成电路中使用功能梯度材料，可以提高电路的性能和稳定性。
三、功能梯度材料的优势功能梯度材料具有以下几个优势：1. 梯度变化的组份可以使材料在不同区域具有不同的性能，从而满足多种需求。
2. 功能梯度材料可以减少不同材料之间的界面应力，提高材料的韧性和可靠性。
3. 功能梯度材料可以实现材料的轻量化，提高材料的性能和效率。
功能梯度材料PPT幻灯片课件
梯度材料 特殊功能为目 标 10nm-10mm
分子间力/物 理键/化学键 均质/非均质
宏观组织 均质
均质
非均质
功能
一致
一致
梯度化
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3 梯度功能材料的特点 1）组分、结构和性能均呈连续梯度变化。 2）内部无明显的界面。
4 梯度功能材料分类 1） 组合方式上分： 金属/金属 金属／陶瓷、 金属／非金属、 陶瓷／陶瓷、 陶瓷／非金属 非金属／塑料
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；它要求功能、性能随内部位置的变化而变化，实 现功能梯度的材料。
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越王勾践剑深埋地下2400多年，1965年冬出土时依旧寒光逼人，锋利无 比。1977年12月，复旦大学与中科院等对剑进行了无损检测。主要成分是铜、 锡及少量的铝、铁、镍、硫。剑的各个部位铜和锡的比例不一。剑脊含铜较多， 韧性好，不易折断；刃部含锡高，硬度大，使剑非常锋利；花纹处含硫高，硫 化铜可防锈蚀。形成了良好的成分梯度。其实大自然，人类自身早已存在了功 能梯度材料。
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无机：
羟基磷灰石
生
碳酸磷灰石
物
有机：
功
胶原纤维
能
梯
度
骨是无机与
材
有机的复合
料
材料
人体长骨结构示意图
13 13
注意： 梯度材料与合金材料、复合材料的区别
材料 设计思想
组织结构 结合方式
微观组织
混杂材料 分子、原子级水 平合金化 0.1nm-0.1m 化学键、物理键
均质/非均质
复合材料 组分优点的复 合 0.1m-1m 分子间力
操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高 材料致密度低 应用：1）电磁加压＋自蔓延：TiB2／Cu； 2）自蔓延＋热等静压相结合：TiC／TiC+10％Ni/ TiC+20
梯度功能材料
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激光熔覆
• 把材料A放到基底B表面上，用激光将其与B基体中 表面薄层一起熔化，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。 • 梯度变化可通过控制初始A层的数量、厚度及熔区深 度来获得。
激光熔覆将材料A合金化到材料B制备FGM示意图
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梯度功能材料的应用
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• 功能梯度材料作为一个规范化正式概念，于1984年 由日本国立宇航实差达到1000K以上， 普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。
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• 1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出 使金属/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。 • 1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。
自蔓延高温合成
自蔓延合成材料
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• 燃烧合成FGM中，整体的宏观梯度通常被保留在 样品中，局部发现在FGM内部存在有限的物质传 输，这种传输使初始存在于反应物粉末压块中的 较陡峭的成分分布在反应后被较平缓的梯度所代 替。 • 日本采用连续成型的电磁加压自蔓延技术合成 TiB2/Cu、TiC/Ni等梯度功能材料。
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• 金属-陶瓷构成的热应力缓和梯度功能材料，对高 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。
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。 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)，
具有缓和热应力的功能。
飞机的左翼上有两条清晰的裂纹
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• 按照基体/陶瓷比率设计具有梯度的金属基/碳基 复合结构可解决上述问题。
设计梯度热防护功能材料
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• 日本开发了为小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的 梯 度 功 能 材 料 ， 目 前 已 研 制 出 能 耐 1700℃ 的 ZrO2/Ni梯度功能材料，用作马赫数大于20的并可 重复使用的航天飞机机身材料。
功能梯度材料
功能梯度材料功能梯度材料（FGM）是一种具有逐渐变化化学成分或结构的材料，其性能在空间上呈现出递增或递减的特点。
这种材料在工程领域中具有广泛的应用，可以有效地解决材料之间的界面问题，提高材料的性能和稳定性。
本文将介绍功能梯度材料的基本概念、制备方法和应用领域。
功能梯度材料的基本概念是指材料的成分或结构在空间上呈现出逐渐变化的特点。
这种逐渐变化可以是化学成分的递增或递减，也可以是结构特征的递增或递减。
通过这种逐渐变化，功能梯度材料可以在不同位置具有不同的性能，从而满足复杂工程环境的需求。
功能梯度材料的制备方法主要包括激光熔覆、沉积成形、化学气相沉积等技术。
其中，激光熔覆是一种常用的制备方法，通过控制激光熔覆过程中的参数，可以实现材料成分和结构的逐渐变化。
沉积成形技术则是利用3D打印等技术，将不同材料逐渐沉积在一起，形成功能梯度结构。
化学气相沉积则是通过控制反应条件和沉积速率，实现材料成分的逐渐变化。
这些制备方法可以灵活地调控功能梯度材料的性能和结构，满足不同工程应用的需求。
功能梯度材料在工程领域中具有广泛的应用。
例如，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结构，提高其耐热性能和抗氧化性能。
在机械制造领域，功能梯度材料可以用于制造高强度、耐磨损的零部件，提高机械设备的使用寿命和稳定性。
在电子器件领域，功能梯度材料可以用于制造高效能、高稳定性的电子元件，提高电子设备的性能和可靠性。
这些应用领域都充分展示了功能梯度材料在工程领域中的重要作用。
总的来说，功能梯度材料是一种具有逐渐变化化学成分或结构的材料，其性能在空间上呈现出递增或递减的特点。
通过灵活的制备方法和广泛的应用领域，功能梯度材料可以有效地解决工程领域中的复杂问题，提高材料的性能和稳定性。
相信随着科学技术的不断进步，功能梯度材料将在更多领域展现出其独特的优势，为人类社会的发展做出更大的贡献。
梯度功能材料
梯度功能材料梯度功能材料是指具有渐变性质的功能材料，其物理、化学、结构等性能在空间上呈现出渐变变化的特点。
梯度功能材料是近年来发展起来的一种新型材料，它具有各种优异的性能，可以在许多领域发挥重要作用。
首先，梯度功能材料在力学性能方面具有显著的优势。
由于其物理结构和化学成分在空间上的渐变，梯度功能材料可以实现从硬到软、从脆到韧的过渡。
这对于一些领域，如材料设计、结构工程等非常有意义。
例如，在航天航空领域中，梯度功能材料可以用于制造轻巧但又具有很高抗压、抗弯性能的航天器件。
其次，梯度功能材料在热传导方面也具有独特的优势。
相对于传统材料，梯度功能材料可以实现热导率的逐渐变化。
这对于一些需要控制热传导的应用非常重要。
举个例子，梯度功能材料可以应用于热电子学器件中，以实现热管理和能量转换的最优化。
此外，梯度功能材料在生物医学领域也有广泛的应用。
例如，在组织工程和再生医学中，梯度功能材料可以模拟人体组织的力学性能和结构特点，从而更好地促进生物材料与人体组织的相容性和生物交互性。
此外，梯度功能材料还可以用于医学影像学领域，通过改变材料的渐变特性，实现对特定组织的显影效果。
最后，梯度功能材料还具有其他许多应用潜力。
例如，在能源领域，梯度功能材料可以用于提高储能设备的性能，如电池和超级电容器。
在环境领域，梯度功能材料可以用于制造高效的吸附材料，以去除有害气体和废水中的污染物等。
总而言之，梯度功能材料的出现为各领域的科研和工程应用带来了许多机会。
它的独特性能可以被广泛地应用于力学、热传导、生物医学、能源、环境等领域，为材料科学和工程技术的发展提供了新的思路和方法。
随着研究的深入和进一步的应用开发，相信梯度功能材料将发挥更加巨大的作用。
功能梯度材料
功能梯度材料功能梯度材料（Functionally Graded Materials，FGMs）是一种独特的组织结构，具有不同材料性能的连续变化。
这种材料可以根据需求在不同区域具备不同的性能，具有广泛的应用潜力。
功能梯度材料的核心思想是利用不同材料的优势，通过逐渐过渡的方式将它们结合起来。
这样，在材料内部形成了一种材料性能随位置变化的梯度。
一般情况下，FGMs通过改变材料成分、晶格结构或孔隙分布来实现性能梯度的变化。
功能梯度材料的主要优势之一是优化材料的性能。
由于不同区域的性能可以根据需求进行调节，所以功能梯度材料可以在同一件材料中实现多种性能要求。
例如，可以在一个功能梯度材料中将刚性材料和韧性材料结合起来，以提高整体的强度和韧性。
另一个优势是优化材料的适应性和可靠性。
功能梯度材料的性能梯度可以使材料更好地适应不同环境的要求。
例如，可以在外部表面附近使用耐腐蚀材料，而在内部使用高强度材料。
这样可以增强材料的耐久性和可靠性。
功能梯度材料还具有优化材料的权衡性能的能力。
例如，对于某些应用，需要同时具备高温耐久性、热导率和机械性能。
通过在材料内部形成性能梯度，可以在不同区域平衡这些性能要求，达到最佳的综合性能。
此外，功能梯度材料还可以实现一些特殊功能。
例如，通过调整电子、热子、声子或离子的传输特性，可以实现功能梯度材料在导电、绝缘、热传导或声学传导方面的特殊性能。
这为多种应用提供了新的可能性，如光电子器件、传感器和能量转换器件等。
尽管功能梯度材料具有广泛的应用潜力，但其设计和制备仍然面临挑战。
目前，多数功能梯度材料的制备方法仍然较为复杂和昂贵，限制了其在大规模应用中的应用。
同时，材料性能梯度的设计和优化也需要更深入的理论和实验研究。
综上所述，功能梯度材料是一种具有多种优势和潜力的材料。
它可以实现性能的优化、适应性和可靠性的提高，同时提供了平衡和特殊功能的能力。
随着制备技术和理论研究的不断发展，功能梯度材料将在诸多领域中得到更广泛的应用。
8梯度功能材料讲解材料
三、梯度功能利用铸型旋转产生的离心力使溶液中密度
不同的增强体和基体合金分离至内层或外层, 使凝固 后的成分组织呈现一种或多种成分梯度变化的工艺方 法.
通过改变转速、颗粒大小、加工时间、温度和密 度来控制成分的梯度分布.
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三、梯度功能材料的研究方法 材料合成
❖ 非晶态合金的结构特点
▪ (1)结构长程无序(2)短程有序(3)结构成分均匀性(4) 结 构处于热力学上的非平衡态, 总有进一步转变为稳定晶 态的倾向。
2
主要内容
❖ 梯度功能材料的介绍 ❖ 梯度功能材料的特点及分类 ❖ 梯度功能材料的研究方法 ❖ 梯度功能材料的应用
3
哥 伦 比 亚 号 航 天 飞 机 失 事
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三、梯度功能材料的研究方法
材料合成 ❖3. 自蔓延燃烧高温合成法(SHS) 其基础是组元之间的化学反应为放热反应，形成燃
烧波能使化学反应自发地维持下去。 特点：制备过程简单、反应迅速且能耗少、产品纯
度高、反应转化率高等优点；合成产物孔隙率大 以及反应过程速度快、温度高，致使陶瓷相的大 小和形貌难以控制等不足。 如果在材料制备过程中同时施加压力，则可以得到 高密度的燃烧产品。
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四、梯度功能材料的应用
❖ FGM的应用在机械工程中的应用。主要应用 于航天工业、核能源等领域。
❖ 能源，如热电转换装置，固体燃料电池、太阳 能电池等。
❖ 在光电，电磁，以及生物相容性领域都有着潜 在的应用．
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四、梯度功能材料的应用
(1)耐热功能梯度材料 功能梯度材料的主要应用领域。它以陶瓷—金属组
梯度功能材料
复习
❖ 非晶态合金概念
▪ 如果金属或合金的凝固速度非常快，原子来不及整齐排 列便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是 混乱的，这就是非晶合金。
功能梯度材料剪切板屈曲后的自由振动
功能梯度材料剪切板屈曲后的自由振动功能梯度材料（FGM）是一种具有逐渐变化成分和性能的复合材料。
它由两种或多种不同材料按照一定比例混合而成，使得材料的性能在空间上呈现出梯度变化。
这种设计使得FGM具有独特的力学行为，其中之一就是剪切板屈曲后的自由振动。
一、功能梯度材料简介功能梯度材料是一种具有逐渐变化成分和性能的复合材料。
它可以根据需要在不同位置具有不同的力学性能，从而满足特定工程应用的要求。
FGM通常由两种或多种不同材料按照一定比例混合而成，且其成分和性能在空间上呈现出梯度变化。
二、剪切板屈曲剪切板屈曲是指在外加载荷作用下，板材发生弯曲变形。
当外加载荷达到一定程度时，板材会发生屈曲现象。
屈曲后，板材会出现自由振动。
三、功能梯度材料剪切板屈曲后的自由振动功能梯度材料在剪切板屈曲后的自由振动方面具有独特的行为。
由于FGM的成分和性能在空间上呈现出梯度变化，使得材料在屈曲后的自由振动中表现出不同频率和模态。
1. 频率变化：功能梯度材料的频率在空间上呈现出梯度变化。
这是因为不同位置的材料具有不同的刚度和密度，导致自由振动的频率也不同。
这种频率变化可以用来调节材料的声学性能或结构动力学特性。
2. 模态变化：功能梯度材料在剪切板屈曲后的自由振动中还表现出模态变化。
模态是指材料振动时产生的特定形状和振幅分布。
功能梯度材料由于成分和性能在空间上呈现出梯度变化，导致不同位置上存在不同的模态。
这种模态变化可以用来调节材料的结构强度和振动吸收性能。
四、功能梯度材料剪切板屈曲后自由振动应用功能梯度材料剪切板屈曲后自由振动具有广泛应用前景。
以下是几个应用领域的例子：1. 结构材料：功能梯度材料的剪切板屈曲后自由振动可以用于设计和制造具有特定频率和模态的结构材料。
这种材料可以用于建筑结构、航空航天器件等领域，以提高结构的稳定性和振动吸收性能。
2. 振动控制：功能梯度材料剪切板屈曲后自由振动的频率和模态变化可以用来实现振动控制。
梯度功能材料
梯度功能材料梯度功能材料State:1. 此⽂在是从中英⽂⽂献中的“简单总结”，没列出相应的参考⽂献2. 是为允诺⼀位朋友⽽做，也可以算作⾃⼰的读书⼩笔记，仅此⽽已背景梯度功能材料( Functionally Gradient Materials ,简称FGM)是由于航空航天技术的发展⽽提出的新概念。
航天飞机在⼤⽓层中长时间飞⾏,机头尖端和发动机燃烧室内壁的温度⾼达2100 K 以上,因此材料必须承受很⼤的⾼温以及内外的温度差别,服役的环境很恶劣。
1984 年,⽇本学者Masyuhi NINO，Toshio HIRA，和Ryuzo WATANBE等⼈⾸先提出了FGM 的概念,其设计思想⼀是采⽤耐热性及隔热性的陶瓷材料以适应⼏千度⾼温⽓体的环境,⼆是采⽤热传导和机械强度⾼的⾦属材料,通过控制材料的组成、组织和显微⽓孔率,使之沿厚度⽅向连续变化,即可得到陶瓷⾦属的FGM。
所谓梯度功能材料（FGM）, 即在材料制备过程中,使组成、结构及孔隙率等要素在材料的某个⽅向上连续变化或阶梯变化, 从⽽使材料的性质和功能也呈连续变化或阶梯变化的⼀种⾮均质复合材料。
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。
该项⽬于1992 年完成，随后将⼯作重⼼转向模拟件的试制及其在超⾼温、⾼温度梯度落差及⾼温燃⽓⾼速冲刷等条件下的实际性能测试评价上,并于1993 年开始研究具有梯度结构的能量转换材料。
第⼀届国际FGM 研讨会于1990 年在⽇本仙台召开,之后每两年举办⼀届。
中国于2002 年在北京主办过第七届FGM国际研讨会。
特点功能梯度材料的关键特点是控制界⾯的成分和组织连续变化，使材料的热应⼒⼤为缓和。
从材料的组成⽅式看，功能梯度材料可分为⾦属/陶瓷、⾦属/⾮⾦属、陶瓷/陶瓷、陶瓷/⾮⾦属和⾮⾦属/聚合物等多种结合⽅式。
从组成变化可划分为：功能梯度整体型（组成从⼀侧到另⼀侧呈梯度渐变的结构材料），功能梯度涂覆型（在基体材料上形成组成渐变的涂层）和功能梯度连接型（粘结两个基体间的接缝呈梯度变化）。
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。
湖南大学金属功能材料第3章 功能梯度材料
梯度功能材料设计的目 的是为了获得最优化的材 料组成和组成分布。
设计程序
根据热防护梯度功能材料 构件的形状和受热环境，得 出热力学边界条件，以设计 知识库为基础选择可能合成 的材料组合和相应的制造方 法；选择表示组成梯度变 化的分布函数，并以材料物 性数据库为依据进行温度和 热应力的解析计算，几经反 复直至得到使热应力最小的 材料的组成和结构的最佳梯 度分布；将有关设计结果 提交给材料合成部门。
FGM的研究背景 1984年日本国立宇航实验室为适应宇航技术的发展， 提出了梯度功能材料的设想，并很快引起世界各国 科学家的极大兴趣和关注。 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 续变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。
通过对界面力学性能的梯度控制，可以抑制裂纹 沿着或穿过界面扩展的驱动力； 通过制造连续梯度过渡层，可以方便地在延性基 底上沉积厚的脆性涂层； 通过调整表面层成分中的梯度，可消除表面锐利 压痕根部的奇异场，或改变压痕周围的塑性变形特 征。
第2节 热防护梯度功能材料
一、功能设计
研究背景：早期提出的应用目标主要是用作航天飞机
按反应室内的压力分：常压，低压。 按反应器壁温度分：热壁，冷壁。 按反应激活方式分:
热CVD、PlasmaCVD、激光CVD、超声CVD等。
CVD中的化学反应 热分解式高温分解反应
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。
功能梯度材料
功能梯度材料
功能梯度材料是指在一个材料中，在特定的方向上具有连续变化的组分、组织结构或化学性质的材料。
功能梯度材料具有以下特性：
1. 组分梯度：功能梯度材料可以在微观尺度上具有连续变化的成分，例如从金属到陶瓷的过渡，或者从一个化学成分到另一个化学成分的过渡。
2. 结构梯度：功能梯度材料可以在微观尺度上具有连续变化的组织结构，在不同的区域具有不同的晶体结构、晶胞参数或晶体生长方向。
3. 性能梯度：功能梯度材料可以在微观尺度上具有连续变化的性能，例如热导率、机械性能、磁性能等。
功能梯度材料的设计能够优化材料的性能和功能，增加材料的适应性和可靠性。
例如，一个具有热梯度的材料可以在高温端具有良好的耐热性能，在低温端具有良好的导热性能，从而提高整体的热效应。
在材料制备方面，常用的方法包括梯度浇注、热力学梯度炉、梯度合金化等。
梯度材料的制备方法需要考虑到材料
的相容性、界面的性质以及材料的加工性能等方面的问题。
功能梯度材料广泛应用于航空航天、能源、电子、医疗器
械等领域。
例如，在飞行器热防护方面，通过使用具有热
梯度的材料，可以有效地减轻材料的热膨胀应力，提高飞
行器的耐热性能。
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
梯度功能材料
梯度功能材料是一种具有不同特性、性能或结构的材料。
它可以被设计成具有不同的物理、化学和力学性质，以满足特定应用的要求。
梯度功能材料的研究和应用已经在众多领域中取得了重要的突破，如电子器件、光学器件、医学器械等。
首先，梯度功能材料在电子器件领域有着广泛的应用。
传统的材料在电子器件中往往具有均匀的结构和性能，然而，在某些情况下，需要在同一材料中实现不同的电学性质。
梯度功能材料的研究可以实现局部性能的控制，从而在电子器件的制作中提供更好的功能性和性能。
其次，梯度功能材料在光学器件中也具有重要的应用价值。
光学器件的设计和制造往往依赖于不同材料之间的界面效应，而梯度功能材料可以提供更好的界面适配性和光学性能。
例如，在光学透镜中，通过调控梯度功能材料的光学性质，可以实现对光束的聚焦和分散，从而实现更好的成像效果。
此外，梯度功能材料在医学器械领域也有着广泛的应用。
随着医学技术的不断发展，对材料在医学器械中的要求也越来越高。
梯度功能材料可以在同一材料中实现多种性质，例如生物相容性、机械强度等，从而提高医学器械的性能和可靠性。
例如，在人工骨骼和关节假体的制作中，梯度功能材料可以实现与真实骨骼和关节更好的兼容性，减少植入体对人体的不良反应。
总的来说，梯度功能材料在各个领域中都具有重要的应用价值。
它可以实现在同一材料中多种性质的控制，提高材料的功能性
和性能。
随着科学技术的不断发展，相信梯度功能材料将在更多领域中得到应用，为人们的生活带来更多的便利和创新。
End。
金属-陶瓷梯度功能材料
金属-陶瓷梯度功能材料是一种结合金属和陶瓷两种材料特性的复合材料。
它通过逐渐变化成分或结构的方式，实现材料性能的梯度变化，从而在不同区域具有不同的功能和性能。
金属-陶瓷梯度功能材料的特点包括：
梯度结构：材料在宏观上呈现出逐渐变化的组织结构，可以是成分的梯度变化，也可以是微观结构的梯度变化。
这种梯度结构可以实现不同区域之间的适应性和平衡性。
多功能性：金属-陶瓷梯度功能材料融合了金属和陶瓷两种材料的特性，同时具有金属的导电性、强度和韧性以及陶瓷的高温耐性、硬度和耐磨性。
因此，它可以在不同的应用领域发挥多种功能。
梯度性能调控：通过调控梯度结构的设计和制备，可以实现对材料性能的精确调控。
例如，在陶瓷-金属界面附近增加金属含量，可以提高材料的韧性和抗裂性能。
应变适应性：金属-陶瓷梯度功能材料的梯度结构可以提供良好的应变适应性。
在受力时，金属部分能够吸收和分散应力，而陶瓷部分则提供较高的硬度和强度。
金属-陶瓷梯度功能材料在航空航天、汽车工业、能源领域和医疗器械等多个领域具有广泛应用。
例如，它们可用于制造高温环境下的热障涂层、高强度和轻量化结构材料、耐磨和耐腐蚀部件等。
梯度功能材料
梯度功能材料
梯度功能材料是一种具有非均匀性能分布的材料，其性能随着空间位置的变化而变化。
这种材料在各种工程领域中具有广泛的应用，包括电子器件、能源存储、传感器等。
梯度功能材料的设计和制备对于提高材料的性能和实现特定功能具有重要意义。
首先，梯度功能材料的设计需要充分考虑材料的性能需求和实际应用场景。
在电子器件中，需要设计具有不同导电性能的材料，以实现对电子流的精确控制。
在能源存储领域，需要设计具有不同电化学性能的材料，以提高电池的能量密度和循环寿命。
因此，梯度功能材料的设计需要结合具体的应用需求，确定材料的性能分布和变化规律。
其次，梯度功能材料的制备需要选择合适的制备方法和工艺参数。
常见的制备方法包括溶液法、气相沉积、激光烧结等。
这些方法可以实现对材料成分、结构和形貌的精确控制，从而实现材料性能的梯度分布。
在制备过程中，需要合理选择工艺参数，如温度、压力、溶剂浓度等，以实现对材料性能的精确调控。
最后，梯度功能材料的应用需要充分考虑材料的性能稳定性和可靠性。
在实际应用中，梯度功能材料可能会受到温度、湿度、光照等环境因素的影响，从而导致材料性能的变化。
因此，需要对梯度功能材料进行性能评估和稳定性测试，以确保其在不同环境条件下的可靠性和稳定性。
综上所述，梯度功能材料的设计、制备和应用是一个复杂而又具有挑战性的过程。
通过合理设计和精密制备，梯度功能材料可以实现对材料性能的精确调控，从而实现特定功能和应用需求。
随着材料科学和工程技术的不断发展，梯度功能材料将在更多领域展现出其巨大的应用潜力。
《梯度功能材料》课件
• 梯度功能材料的概述 • 梯度功能材料的制备方法 • 梯度功能材料的性能研究 • 梯度功能材料的发展趋势与展望 • 案例分析：梯度功能材料在航空
航天领域的应用
目录
01
梯度功能材料的概述
定义与特性
定义
梯度功能材料（Gradient Function Materials，GFM）是一种新型材料 ，其性能在空间上呈连续变化，从而 在材料内部实现了一种特殊的梯度结 构。
航空航天
用于制造高性能的航空发动机和 航天器部件，提高其耐高温、抗 腐蚀和减轻重量的性能。
生物医疗
用于制造人工关节、牙科种植体 等医疗器械，提高其生物相容性 和耐久性。
能源环保
用于制造高效能电池、燃料电池 等能源器件，提高其能量密度和 使用寿命。同时，在环保领域可 用于治理污染和修复生态。
02
梯度功能材料的制备方法
总结词
高强度、低密度、抗辐射
详细描述
卫星结构材料需要承受发射过程中的巨大应力和振动，同时在轨运行时还要承受太空中 的各种恶劣环境，如高真空、强辐射等。梯度功能材料通过优化材料成分和结构，实现 了高强度、低密度和抗辐射等多重性能的完美结合，为卫星结构提供了更加可靠和高效
的材料选择。
感谢观看
THANKS
01
通过优化材料组成和结构设计，开发具有优异性能的复合材料
，以满足各种工程应用的需求。
智能材料
02
研究和发展能够感知外部刺激并作出响应的材料，如形状记忆
合金、压电陶瓷等，用于制造智能传感器和执行器。
多功能材料
03
探索和开发具有多种功能的材料，如导电、导热、磁性、光学
等，以实现单一材料的多重应用。
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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年10月，在日本召开了第一届梯度功能材料国际研讨会。
除日本外，从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。
1993年，美国国家标准技术研究所开始了以开发超高温耐氧化保护涂层为目标的大型梯度功能材料研究项目。
1995年在德国发起一项六年国家协调计划，涉及大量实验室参与，主要研究功能梯度材料的制备。
近几年来，出现了特意引入梯度的其它许多目标应用，如金属与陶瓷的连接、人体器官移植、爆发内燃机构件、磁性装置、切割工具、建筑中的防火物、抗接触损伤的聚合物复合材料和火箭推力燃烧室的衬里等。
最近，将预先存在的不同相进行人为组合而成的复合材料的出现，使得有可能通过改变复合两相的配制．在复合材料内部形成精细的构造梯度。
所以，功能梯度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。
三、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，但与混杂材料、复合材料之间有明显区别，如下表所示： 梯度功能材料与混杂材料及复合材料的比较 材料混杂材料 复合材料 梯度材料 设计思想分子、原子级水平合金化 材料优点的相互复合 特殊功能为目标 结合方式分子间力 化学键/物理键 分子间力/化学键/物理键 微观组织均质/非均质 非均质 均质/非均质 宏观组织均质 均质 均质 功能 一致 一致 梯度化梯度功能材料主要通过连续控制材料的微观要素(包括组成、结构和空隙在内的形态与结合方式等)，使界面的成分和组织呈连续性的变化，其主要特征有：1、材料的组分和结构呈连续性梯度变化；2、材料内部没有明显的界面；3、材料的性质也呈连续性梯度变化。
以金属—陶瓷构成的热应力缓和的梯度功能材料为例，对高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，能够利用以下几种方式来改善构件的热机械特征：(1)材料从陶瓷过渡到金属的过程中，其耐热性逐渐降低，机械强度逐渐升高。
热应力在材料两端均很小，在材料中部过渡区达到峰值(比突变界面的应力值小得多)，而且热应力达到峰值的临界位置可以适宜控制，从而具有热应力缓和功能。
(2)对于一给定的热机械载荷作用，与突变界面相比，梯度材料可以通过在成分中引入连续的或逐级的梯度来提高不同固体(如金属和陶瓷)之间的界面结合强度，抑制自由边界与界面交接处的严重的应力金属和陶瓷构成的材料特性 (a) 无梯度；(b)有梯度集中，推迟塑性屈服和失效的发生；(3) 梯度材料还可以通过对界面的力学性能梯度进行调整，从而降低裂纹沿着或穿过一个界面扩展的驱动力；(4) 通过逐级或连续梯度可在延性基底上沉积厚的脆性涂层，提高梯度材料整体的力学性性能；所以，热防护梯度功能材料正是利用其成分和结构的连续变化来避免热应力集中所造成的界面脱落和开裂，从而防止材料的失效。
四、梯度功能材料的制备方法对于梯度功能材料的制备技术和方法，国内外科学工作者进行了大量的研究和开发。
其制备技术综合了超细、超微细粉、均质或非均质复合材树等微观结构控制技术和生产技术。
使用的原材料可为气相、液相或固相，制备办法有化学气相沉积法(CVD)、物理蒸镀法(PVD)、等离子喷涂法(PS)、自蔓延高温合成法(SHS)、粉末冶金法、化学气相渗透法(CVI)、激光倾斜烧结法、电解析出法等。
4.1、化学气相沉积法通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在—定条件下发生化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积以制备FGM的方法。
CVD法的特点是可以通过选择合成温度，调节原料气的流量和压力等来控制FGM各组元的成分比和结构，而且可镀复杂形状的表面；沉积面光滑致密，沉积率高，可能成为制备复杂结构的FGM涂层关键技术之一。
例如，将含有金属相/非金属卤化物的原料气体进行加热分解，使其沉积在基板上，或者将生成的碳化物、氮化物混合气体送入反应器中，加热反应生成的化合物沉积在基板上。
目前，己用CVD法制备出厚度为0.4-2mm的SiC/C、TiC/C、SiC/TiC、A1/C系FGM。
4.2、物理蒸镀法PVD法是通过物理法使源物质加热蒸发进而在基板上沉积成膜的一种制备材料的方法。
PVD法特点是可以制备多层不同物质的膜。
由于PVD法得到的膜较薄，并且每层膜只能是单纯某物系，所以用PVD法来制备梯度功能材料时，往往和化学气相沉积法(CVD)结合使用。
例如在制备TiC/Ti系FGM时，用离子溅射装置使Ti蒸发，同时调节CH4气体的蒸发流量来控制TiC/Ti系材料的结构和厚度。
目前已制备出TiC/Ti、TiN/Ti、Cr/CrN、TiAlN/Ti和SiC/C/TiN等多层梯度功能材料。
4.3、等离子喷涂法等离子体喷涂是制备功能梯度材料的一个吸引人的方法，因为它能同时熔化高度难熔相和金属，通过控制两种粉末材料的相对供给速率来预先设置混合比率。
其基本原理是：使用粉末状物质作为喷涂材料，以氦气、氩气等气体为载体，吹入高温等离子射流。
等离子体射流把相当大的能量传递给颗粒，使非常难熔的材料也熔化。
粉末在被加热熔融后进一步加速，以极高速度冲撞在基材表面形成涂层。
颗粒的高速度是这种制备工艺的特征，它使得熔化颗粒撞到固体基底上时变得相当扁平。
特别是当制备过程在低压或真空环境中进行时，这一特征使沉积的涂层具有相对低的孔隙率，并减少了随后制备工艺的需要。
熔化颗粒在冲击中变得明显扁平也有下列结果，即由这种制备工艺产生的涂层倾向于具有层状微观结沟特征，因此引起面内和面外材料力学和热学性质的各向异性。
等离子喷涂的关键是必须精确地控制组分比、喷涂压力、喷涂速度和喷涂颗粒的粒度等参数，就能调整FGM的组织结构和成分。
等离子喷涂法适合于几何形状复杂的器材表面梯度涂覆和加工。
例如，利用粉末梯度喷涂专用装置，在基板上喷涂单层NiCr合金粉末，再用10% ZrO2粉和90％NiCr合金粉末喷涂，然后在配料中逐步减少合金粉末，最后用100％ZrO2粉末喷徐，膜厚达1mm，此技术已用于飞机喷气发动机的表面改性和相关材料的表面改性，材料表面能承受的温度高达1100-1300℃，内外侧温差可达到500-600℃。
日本采用多离子喷轮的等离子喷涂技术喷涂ZrO2/8Y2O陶瓷粉末和Ni-Cr-Al-Y合金粉末，形成二层或三层涂层，明显提高了基体金属的隔热性和耐热疲劳性。
4.4、自蔓延高温合成法通过初始反应物分布的空间变化，利用粉末状混合物间化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材料燃烧和合成来制备FGM的方法称为自蔓延高温合成法。
该法的特点是利用高放热反应的能量使化学反应自动持续下去，最适合于生成热大的化合物的合成．如AlN、TiC、TiB等。
调整好原料混合物粉末的组分，将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化充填，加压压实，在一端点火．利用反应热将粉末烧结成材。
该法操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高。
人们在用燃烧合成FGM的研究中已经发现，整体的宏观梯度通常被保留在样品中(虽然在某一项研究中，注意到由于重力所造成的梯度改变)。
另一方面，局部地发现在FGM内部存在有限的物质传输的证据，这种传输导致成分均匀化，特别是粉末压块中初始成分分层的明锐界面被平滑，初始存在于反应物粉末压块中的陡峭成分分布，在反应烧结后的产品中被较平缓的梯度所代替。
用自蔓延合成技术制备的材料往往致密度低，这是由于放出气体，或者生成相未被放出的热所液化造成不完全烧结的缘故。
因此，FGMs的燃烧合成制备工艺已与各种致密化工艺相结合，其主要手段热压，冲击电磁力，用沙子作为压力传送介质的近等静动态热压和热等静压。