梯度功能材料
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。
功能梯度材料组份
功能梯度材料组份功能梯度材料（Functionally Graded Materials，简称FGMs）是一类具有不同成分和性质的材料，其成分和性质随着空间位置的改变而逐渐变化。
这种材料在近年来得到了广泛的研究和应用，其独特的特性使其在多个领域有着重要的应用前景。
一、功能梯度材料的组份功能梯度材料的组份包括两个或多个不同的材料，这些材料在空间分布上呈现出一定的规律。
常见的功能梯度材料的组份有以下几种：1. 金属-陶瓷组份：金属和陶瓷是功能梯度材料中常见的组份。
金属具有良好的导电性和导热性，而陶瓷具有优异的抗磨损性和耐高温性。
将金属和陶瓷组合在一起，可以制造出具有导热性和抗磨损性的材料，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
2. 陶瓷-陶瓷组份：陶瓷材料具有优异的绝缘性能和耐腐蚀性能，但其韧性较差。
通过将不同种类的陶瓷材料组合在一起，可以实现材料性能的优化。
例如，将高韧性的陶瓷材料与高强度的陶瓷材料组合，可以制造出具有较好韧性和强度的材料，被广泛应用于医疗领域。
3. 金属-高分子材料组份：金属和高分子材料具有不同的性质，通过将它们组合在一起，可以制造出具有金属的导电性和高分子材料的机械性能的材料。
这种材料在电子领域有着重要的应用，如柔性电子器件的制备。
4. 陶瓷-高分子材料组份：陶瓷和高分子材料组合在一起，可以实现材料性能的多样化。
陶瓷具有优异的耐磨损性和耐高温性，而高分子材料具有良好的可塑性和韧性。
将它们组合在一起，可以制造出具有耐磨损性和可塑性的材料，被广泛应用于汽车制造、航空航天等领域。
5. 金属-陶瓷-高分子材料组份：将金属、陶瓷和高分子材料三者组合在一起，可以实现材料性能的多样化。
这种材料在医疗领域有着广泛的应用，如人工关节等。
二、功能梯度材料的应用功能梯度材料由于其独特的组份和性质分布，被广泛应用于各个领域。
以下是功能梯度材料的一些应用示例：1. 高温结构材料：功能梯度材料在高温环境下具有良好的耐热性能和机械性能，被广泛应用于航空航天、能源等领域。
梯度功能材料
(1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术； (2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术； (3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技 术）； (4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、 磁特性。
谢谢
• 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。 • 生物的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大差异。有生命的 FGMs是“有智能的”，它们能感受所处环境的变化 (包括局部应 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。
梯度化
梯度功能材料能有效地克服传统复合材料的不足。与传统复合材 料相FGM有如下优势：
1）将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料，可以大大地提高粘结强度；
2）将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力；
3）将FGM用作涂层和界面层可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FGM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。
梯度功能材料
梯度功能材料简介
目 录
分类及与复合材料的区别 应用领域 未来的发展趋势
引言
梯度功能材料是上世纪八十年代中期开发可往返于太空与陆
地的航天飞机外部用耐热材料而提出的一个崭新的材料概念。 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。 如果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,这就诞生了梯度功材料。
发展
• 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。
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。
8.梯度功能材料
三、梯度功能材料的研究方法 材料合成
7. 电沉积法：低温下制备FGM的化学方法。 利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电 极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合, 并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度得到 FGM膜或材料.
电镀—在电场的作用下，在电解质溶液（镀液）中由阳极和 阴极构成回路，使溶液中的金属离子沉积到阴极镀件表面上 的过程。
性评价三部分组成。
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三、梯度功能材料的研究方法 材料设计
FGM的设计：根据实际使用要求,对材料的组成和结
构梯度分布进行设计。
FGM设计主要构成要素:
1)确定结构形状,热力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法, 计算FGM的应
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一、梯度功能材料的介绍
如果将陶瓷涂敷在耐高温金属的表面制成的复合
材料。
——存在明显的界面, 材料的热膨胀系数、导热
率等性能发生突变。两侧的温差过大,界面处 产生很大的热应力,导致深层裂缝,剥落,使材料 失效。 梯度功能材料发展
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一、梯度功能材料的介绍
1984 年,日本学者首先提出了FGM 的概 念,其设计思想：
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。
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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
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一、梯度功能材料的介绍
梯度功能材料( Functionally Graded Materials ,简称FGM)的提出是由于航空航天
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
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 宏观组织 功能 混杂材料 复合材料 梯度材料
分子、原子级水 组分优点的复 特殊功能为目 平合金化 合 标 0.1nm-0.1m 0.1m-1m 10nm-10mm 分子间力/物 理键/化学键 均质/非均质 非均质 梯度化 化学键、物理键 分子间力 均质/非均质 均质 一致 非均质 均质 一致
• 下列梯度功能材料是什么组合方式？
枪
萤 火 一 号
柴油机的活塞头
• 2）组成变化上分： • （1）梯度功能整体型(从一侧到另一侧组成梯度 变化) • （2）梯度功能涂履型(涂层的组成梯度变化) • （3）梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化) • 3）功能上分： • （1）热防护梯度功能材料 • （2）折射率梯度 • 时间很早很早~~~~~~~~~不解释
不用或没用好的后果：很严重
哥 伦 比 亚 号
梯度功能材料的特点与分类
• 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。
• 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
通信二班
刘文龙
1004220227
序：
梯度功能材料： 是两种或多种材料复合成组分和结构呈梯 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。
实际应用：
• 厨房用刀
匕首
航天：
可怜的萤火一号
12.1 梯度功能材料及其特点
梯度功能材料的提出
功能梯度材料（Functionally Graded Materials, 以下简称FGM）的概念是由日本材料学家新野 正之、平井敏雄和渡边龙三等于1987（pay attention!!!)年提出。FGM就是为了适应新材料 在高技术领域的需要,满足在极限温度环境(超高 温、大温度落差)下不断反复正常工作而开发的 一种新型复合材料。如图所示，在金属底层与热 障工作层之间引入成分过渡层，消除涂层中的宏 观界面，合成一种非均一的复合材料，其机械、 物理、化学特性是连续变化的，没有突出，缓和 了涂层中的热应力等，成为可以应用于高温环境 的新一代功能材料。
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。
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。
功能材料 梯度功能材料
神州号
杨利为
聂海胜、 聂海胜、费俊龙
背景： 背景：航空方面
每秒3.2公里，10倍音速 每秒3.2公里，10倍音速 3.2公里
W:T=3680K, 19.3; MO:T=2890K,10.2
设计
氧化物陶瓷熔点均在2000K以上， 氧化物陶瓷熔点均在2000K以上，密 2000K以上 度：Al2O3=4.0；TiB2=4.5；SiC＝ Al2O3=4.0；TiB2=4.5；SiC＝ 3.12等 3.12等 虚线－压应力区； 虚线－压应力区；0－无应力区 比较发现： 比较发现： 成分突变会导致应力集中（ 1. 成分突变会导致应力集中（解决 不好，哥伦比亚号坠毁，见图） 不好，哥伦比亚号坠毁，见图）
功能梯度材料
一、主要内容： 1.功能梯度材料概述 2.功能梯度材料制备 3.功能梯度材料应用 二、要求： 1.了解功能梯度材料的产生背景及其定义； 2.了解功能梯度材料的特点及其分类； 3.了解功能梯度材料的常用制备工艺； 4.功能梯度材料的应用重点和难点： 三、难点：功能梯度材料的制备原理
功能梯度材料概述 功能梯度材料 （Functionally Graded Materials,以下简称 以下简称FGM） 以下简称 ） 的概念是由日本材料学家 新野正之、 新野正之、平井敏雄和渡 边龙三等于1987年提出。 年提出。 边龙三等于 年提出 FGM就是为了适应新材料 就是为了适应新材料 在高技术领域的需要,满足 在高技术领域的需要 满足 在极 限温度环境(超高温、大温度落差 下不断反复正常工作而开发 限温度环境 超高温、大温度落差)下不断反复正常工作而开发 超高温 的一种新型复合材料。如图所示， 的一种新型复合材料。如图所示，在金属底层与热障工作层之 间引入成分过渡层，消除涂层中的宏观界面， 间引入成分过渡层，消除涂层中的宏观界面，合成一种非均一 的复合材料，其机械、物理、化学特性是连续变化的， 的复合材料，其机械、物理、化学特性是连续变化的，没有突 缓和了涂层中的热应力等， 出，缓和了涂层中的热应力等，成为可以应用于高温环境的新 一代功能材料。 一代功能材料。
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。
等几何功能梯度材料
等几何功能梯度材料
等几何功能梯度材料（Functional Gradient Materials，简称FGM）是指材料的组成和结构从某一方位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的功能性材料。
根据材料的组合方式，FGM可以分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料。
根据其组成变化，FGM可以分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）。
此外，根据不同的梯度性质变化，FGM可以分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等。
目前，制备等几何功能梯度材料的方法包括自蔓延燃烧合成（SHS）和烧结（SPS）等。
其中，利用类似于SHS电场激活作用的SPS技术，对陶瓷、复合材料和梯度材料的合成和致密化同时进行，可得到65nm的纳米晶，比SHS少了一道致密化工序。
目前SPS制备的尺寸较大的FGM体系是ZrO2(3Y)/不锈钢圆盘，尺寸已达到100mm×17mm。
用普通烧结和热压WC粉末时必须加入添加剂，而SPS使烧结纯WC成为可能。
以上内容仅供参考，建议查阅关于等几何功能梯度材料的资料、文献，或者咨询材料科学专家，以获取更准确的信息。
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。
梯度功能材料
SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年
研究Ti和B的然烧反应时，发现的一种合成材
料的新技术。其原理是利用外部能量加热局
部粉体引燃化学反应，此后化学反应在自身
放热的支持下，自动持续地蔓延下去，最后
合成新的化合物。
SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工
艺相对简单的特点。
自蔓延高温合成法(SHS)
光学材料
4.5
介电和压电材料
单体介电材料的介电常数一般随温度而激剧
变化，而利用不同成分组成的FGM介电材料的介电常数比较稳定，受温度Fra bibliotek影响较小。
用FGM层取代有机物黏接，可以得到可靠性好、
寿命长的梯度功能材料型压电陶瓷驱动器。
5．FGM的研究发展方向
5.1
存在的问题
(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 补充、收集、归纳、整理和完善；
3．梯度功能材料的特点
3.1根据材料的组合方式
FGM可分为金属／合金，金属／ 非金属，非 金属／陶瓷、金属／陶瓷、陶瓷／陶瓷等多 种组合方式，因此可以获得多种特殊功能的 材料。
3.2材料的组成的变化
（1）梯度功能涂覆型，即在基体材料上形成 组成渐变的涂层。 （2）梯度功能连接型,即是粘接在两个基体 间的接缝组成呈梯度变化。 （3）梯度功能整体型，即是材料的组成从一 侧向另一侧呈梯度渐变的结构材料
1.2.2 梯度功能材料分类
(1) 根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶 瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式
的材料；
（2）根据不同的梯度性质变化，FGM分为密
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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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。
2 FGM的应用现状
虽然FGM的开发初衷是针对航空航天领域应用的超耐热材料但由于FGM具有成分、晶粒度等要素连续变化的特点. 它可以将两种完全不同的性能融于一体. 使材料的综合性能得以明显提高.在机械、光电、核能、生物工程领域的应用显示出巨大的潜力。
2.1 热应力缓和型梯度功能材料主要应用其机械性能的梯度变化在航天航空飞机、卫星、运载火箭及核能领域中的超高温环境使用FGM后可大幅度提高热效率。
2.2 光、电、磁梯度功能材料目前FGM压电材料、异质结半导体材料及高温超导材料都有效地解决两者易分离的固有缺陷减少了界面态密度大大提高电磁、热电及光电的转化效率有的可提高宽波长区域的发光效率。
在光学领域FGM典型的例子梯度折射率光导纤维可以解决光的定向远距离输送问题从而提高了电信电视等信息领域的传播效率。
2.3 在生物医学领域以FGM制造的人造器官如人造牙齿、骨骸、关节等具有极好的生物相容性和高的柔韧性、可靠性和高的功能性。
如Ti金属磷灰石梯度功能材料可大大提高人造齿和人造骨的仿真水平可以把具有生物活性的羟基磷灰石与具有高度生物稳定性、耐腐蚀及高强度的钛金属有机结合制造出强度高、韧性好、耐腐蚀及具有生物活性的人工齿骨。
2.4 在机械工程领域梯度涂层材料可以有效地松弛涂层与基体界面处产生的热应力. 防止微裂纹的产生.消除剥落现象.延长工件的使用寿命。
3 梯度功能材料的制备
制备FGM的工艺方法很多’一般来讲可以分为气相、液相和固相三大类。
3.1 气相沉积法: 包括化学气相沉积(CVD)法和物理气相沉积(PVD)法等主要通过控制弥散相的浓度在厚度方向上实现组分的梯度化合成的材料组织致密但只适用于薄膜通常厚度小于1mmCVD法是通过控制反应气体的浓度或控制CVD条件在基板上获得连续渐变膜的方法能按设计要求精确地控制材料的组成、结构和形态并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化无须烧结即可制备出致密、性能优异的FGM。
PVD法是通过物理加热方法使源物质加热蒸发而在基板上成膜的制备方法目前主要使用的材料是Ti-TiC,Cr-CrC/CrC,CrN等。
3.2 自蔓延高温合成法: (简称SHS法),将构成化合物的元素粉末和金属粉末按梯度组成填充静压成型放入反应容器在一端点火燃烧由于反应向前传播最终即可形成由反应产物与金属构成的FGMSHS法制备FGM反应速度快、能耗少、设备简单、适用范围广但是合成的材料空隙率较大机械强度较低。
3.3 等离子喷涂(PS)法: 以气体作载体将喷涂材料粉末吹入等离子射流中使之成熔融态并以极高的速度喷射至基材表面形成扁平的层状结构涂层通过控制喷涂材料的成分可以合成出沿截面具有成分渐变的FGM材料。
此外通过调整喷涂位置、粉末粒度、喷涂压力及喷射速度等参量来调节喷涂量可以在几何形态复杂的器件表面制备大面积的热障梯度涂层但是成本较高。
3.4 粉末冶金(PM)法: 是制备FGM最广泛的方法。
这种方法以各种金属、非金属及化合物粉末为原料采用叠层法、喷射积层法、粉浆浇注法、涂挂法等工艺成形后进行烧结后处理通过控制最终可获得沿截面具有连续成分或晶粒度梯度的材
料。
3.5 电沉积法: 是将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中通过注入另一相的悬浮液使之混合并控制注入速率而改变组成比在电场作用下电荷的悬浮颗粒就在电极上沉积下来最后得到FGM膜或材料。
该法工艺设备简单、操作方便、成型压力和温度低精度易控制生产成本低廉等显著优点。
3.6 激光熔覆法(LSC):是随着激光技术的发展而产生的一种新兴的材料制备方法。
其原理是将混合粉在基体表面形成熔池并在此基础上通过改变粉末成分向熔池中不断喷粉以获得梯度功能涂层的粉末通过喷嘴喷至基体表面然后通过改变激光功率、光斑尺寸和扫描速度加热粉体层。
3.7 离心铸造法: 制备梯度功能材料是1990年由日本学者福井泰好首先提出的新型制备工艺,这种方法积极利用离心力场中强化相质点与液态金属熔体之间的密度差异引起的质点偏析现象制备出强化相呈梯度分布的功能材料。
4 梯度功能材料
1) ZrO
2
-Ni功能梯度材料
通过抗热震参数分析和热循环试验研究ZrO
2
-Ni 功能梯度材料的热冲击与热疲
劳行为及其影响因素。
结果表明ZrO
2-Ni FGM 抗热震参数呈梯度分布ZrO
2
侧抗
热冲击断裂能力强而富Ni区热疲劳抗力高。
其热震破坏符合热疲劳损伤机理裂纹的准静态扩展为其控制因素。
热疲劳裂纹在梯度层内以微孔聚集、连接方式萌生和扩展而在梯度层间无横向贯穿裂纹克服了传统陶瓷/ 金属结合体的界面热应力剥离问题。
2) HA-Ti功能梯度材料
用粉末冶金法制备出HATi/ Ti/ HATi 轴对称生物功能材料并测定HATi复合体材料的力学性能和热膨胀系数。
应用经典叠层板理论和热弹性力学理论分析了直接叠层体和轴对称FGM 制备残余热应力。
结果表明其微观组织呈对称型梯度化分布。
FGM 中间纯Ti 层具有最高的抗弯强度和断裂韧性而表面层的弹性模量最低。
从生物医学应用的角度看力学性能如此分布的生物材料正是所期望的。
其热膨胀系数随着HA 含量和温度的升高而增大。
制备残余热应力强烈依赖于组成分布组成对称梯度化分布导致了FGM 中残余热应力也呈现对称梯度化分布并降低了其表面层制备残余拉应力。
5 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) 已制备梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多实用价值；
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。