第十二章_梯度功能材料

单一和复合功能渐变的非均质材料。
1.金属强度高、韧性好，但不耐高温和腐蚀；陶瓷耐高温、 抗腐蚀，但脆性大，不耐冲击。 2.但普通的粘结或组合技术，由于两者界面的热胀系数不 同，而产生很大的热应力，引起剥离、开裂和脱落，造成材料
的损坏。
3.梯度功能材料是一种使金属和陶瓷的组分和结构呈连续 变化，从而物性参数也呈连续变化的复合材料。
一种新型复合材料；它的设计要求功能、性能随机件内部位
置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。
12.1.2
梯度功能材料的特点与分类
（一） 主要特征：
(ⅰ) 材料的组分和结构呈连续梯度变化。 (ⅱ) 材料内部没有明显的界面。 (ⅲ) 材料的性质也相应呈连续梯度变化。
梯度功能材料是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚
热防护梯度功能材料的设计
热防护梯度功能材料早期提出的应用目标主要
是用作航天飞机和宇宙飞船的发动机材料和壳体材 料。普通的陶瓷、金属和复合材料的机械强度、耐 热性、耐热循环性和寿命都很难满足要求。
（一）设计思想：
它以缓和热应力和耐热、隔热以及耐腐蚀等
为目的，使材料的构成要素(组成、结构、结合形
式等)从一侧向另一侧呈现连续性变化，从而得到
图12-1 梯度热防护功能材料设计概念
金属和陶瓷的组分和结构呈连续变化，从而物性参数也呈连续变化。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，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，在材料中部达到峰值，从而具有热应力缓和功能。
热冲击评价和热疲劳评价。
12.3
梯度折射率材料
• 折射率梯度类型
• 梯度折射率材料的制法
12.3.1
折射率梯度类型
在传统的光学系统中，各种光学元件所用的材料都是均
质的，每个元件内部各处的折射率为常数。
梯度折射率材料则是一种非均质材料，它的组分和结构
在材料内部按一定规律连续变化，从而使折射率也相应地呈
特点：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各成分的组分比和结构，而且可镀复杂形状的表面材 料，沉积面光滑致密，沉积率高，因而成为制备复杂结构的 FGM的表观涂层关键技术之一。
c.物理-化学气相沉积 (PVD-CVD)
综合了PVD法和CVD法的优点。CVD法的沉积 温度一般高于 PVD法的沉积温度，故在基体的低温
合物等)、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，实现某一特殊功能的一类 新型材料。
表12-1 梯度功能材料与混杂材料和复合材料的比较
梯度功能材料能够以几种方式来改善一个构件的热机械特征：
(ⅰ) 热应力值可减至最小，而且适宜地控制热应力达到峰 值的临界位置；
1.局部热应力评价
采用激光和超声波的方法来评价局部热应力的分布和 大小。
2.热屏蔽性能评价
通过高温落差基础试验和模拟实际环境下的隔热性
能和耐久性试验，来评价梯度功能材料的热屏蔽性能。
3.破坏强度评价
在2000K以上的环境中，测定其破坏强度，以考察梯
度功能材料的耐超高温的机械强度。它包括断裂强度评价、
等离子体放电烧结（SPS） 是日本最近几年开发的一 种 新型陶瓷烧结工艺技术。 SPS法具有内部加热和快速升
温特 点，可用于需要抑制晶粒生长的烧结，也可以通过模
具设计 来实现温度梯度，从而满足梯度功能材料烧结工艺
的需要。 利用SPS法来烧结Si3N4、 SiC、Al2O3、ZrO2陶
瓷和Ti-Al 系金属间化合物等。 东北大学已利用SPS烧 结成 功地制备了金属——陶瓷系和高分子—陶瓷系梯度功能 材 料。
(ⅵ) 通过逐级的或连续的梯度可以方便地在延性基底上沉
积厚的脆性涂层(厚度一般大于1mm)；
(ⅶ) 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。
（二）梯度功能材料分类 1.组合方式上：
金属／陶瓷、金属／非金属、陶瓷／陶瓷、陶瓷／非金
属以及非金属／塑料等多种结合方式；
• 如果折射率从边缘到轴心连续增加，就是自聚焦 透镜，相当于普通凸透镜。
• 如果折射率从边缘到轴心连续降低，就是自发散 透镜相当于凹透镜。
θ
1
n1
θ
n2
2
2.轴向梯度折射率材料
• • 其折射率沿圆柱形材料的轴向呈梯度变化； 它的等折射率面是材料的横截面。
3.球向梯度折射率材料
• 其折射率对称于球内某点而分布，这个对称中心可以是
变化。
a.物理气相沉积法(PVD) 通过加热等物理方法使源物质(如金属等)蒸发， 进而使蒸气沉积在基体上成膜。
特点：可以制得多层不同物质的膜，但用该法制得的膜较
薄，且每层膜只能是某种物质。
b.化学气相沉积法(CVD) 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，使生成的固相物质在基板上沉积。
航空航天事业的快速发展，对材料的机械性能 提出越来越苛刻的要求。例如，当航天飞机往返大气层，
飞行速度超过25马赫兹时，其表面温度高达2000℃。而燃 烧室的温度更高，燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热 流量大于5MW／rn2，其空气入口的前端热通量达50MW／ m2，对如此巨大热量必须采取冷却的措施，因此燃烧室壁内
方法有：实测法、复合法则法和微观力学法。
复合法则法：P＝k1P1＋k2P2＋k1k2Q12
式中：P1——组分1的物性参数；
P2——组分2的物性参数； k1——组分1的体积分数； k2——组分2的体积分数
P——梯度功能材料的物性参数 ；
Q12——与k1、P1、k2、P2有关的函数
表示组成的梯度变化的分布函数形式的选择直接影响梯
图12-3 金属-陶瓷界面 上的应力分布（单位： 1/100MPa） （a）无梯度； （b）有梯度
12.2.2 热防护梯度功能材料的制备方法
图12-4 制作 方法的分类
1.气相沉积法
分为：物理气相沉积(PVD)法、化学气相沉积 (CVD)法和物理-化学气相沉积(PVD-CVD)法，
优点：不用烧结，沉积层致密牢固，组成可连续
将金属和陶瓷粉末掺入微量胶粘剂、分散剂等，用振
动磨制成泥浆，并脱除气泡压成薄膜，然后将这些不同成
分和结构的薄膜进行叠层、烧结。
12.2.3 热防护梯度功能材料的特征评价
由于其组成和性能是呈梯度变化的，因此不能采用一般
常规的测试方法。目前尚无统一的标准。以下是日本热防护
梯度功能材料评价小组提出了三个方面包括六项材料特性的 评价，简介如下：
（一）类型：
• 径向梯度折射率材料 • 轴向梯度折射率材料 • 球向梯度折射率材料
1.径向梯度折射率材料
• • 径向梯度折射率材料是圆棒状的。 它的折射率沿垂直于光轴的半径从中心到边缘连续变化。
•
等折射率面是以光轴为对称轴的圆柱面。
沿垂直于光轴方向截取一定长度的梯度折射率棒两端 加工成平面，就制成一个梯度折射率棒透镜。光线在镜内 以正弦曲线的轨迹传播。
(ⅱ) 对于一给定的热机械载荷作用．推迟塑性屈服和失效 的发生；
(ⅲ) 抑制自由边界与界面交接处的严重的应力集中和奇异 性； (ⅳ) 与突变的界面相比，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；
(ⅴ) 可以通过对界面的力学性能梯度进行调整来降低裂纹 沿着或穿过一个界面扩展的驱动力；
优点：操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高
缺点：材料致密度低
改进：(提高密度)
•
• 电磁加压自蔓延技术合成TiB2／Cu系梯度功能材料； 自蔓延和热等静压相结合，研制了成分为TiC／TiC+10％
Ni/ TiC +20％Ni／TiC+30％Ni 的大型梯度功能TiC／Ni材料； • 爆炸压实生坯和自蔓延高温合成技术制备了A12O3／Ti系梯
侧采用PVD法，高温侧采用CVD法。
例如：Ti／TiC、Ti／TiN、Ti／TiAlN和SiC／C／TiC等
2.等离子喷涂法
基本原理：
使用粉末状物质作为喷涂材料，以氮气、氩气等气体为
载体，吹入等离子射流中，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。 关键：精确控制组分比、喷涂压力、喷涂速度和喷涂颗粒的 粒度等参数，以调整FGM的组织结构和成分。 要求：材料不能分解
球心，也可以不是；
• 它的等折射率面是同心球面。 1854年麦克斯韦提出了球面梯度透镜的设想，即著名的 Maxwell鱼眼透镜。1985年祝颂来等人报导了一种直径约5mm 的玻璃梯度折射率球，1986年Koike等人报导了直径为0.05～
3mm的高分子梯度折射率球。
（二）制得光学元件： 径向梯度折射率棒透镜、轴向梯度折射率棒透镜、 球向梯度折射率球透镜、平板透镜 (见图12-6)、平板 微透镜阵列(见图12-7)、梯折光波导元件(见图12-8)
度功能材料（理论密度从82％～94％ ）
4.颗粒梯度排列法
优点：比较适合制备大体积的梯度材料， 缺点：工艺比较复杂，制品有一定的孔隙率，尺寸
受模具限制。
a.颗粒直接填充法：
将金属、陶瓷或晶须等的粒子(粒度约为0.1微米至几
十微米)，按一定的梯度分布直接填充到模具中经过加压、
烧结而成；
b.薄膜叠层法：
3.自蔓延高温合成法
基本原理：
将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化填充，加压压实，从成
形体的一端点火燃烧，反应自行向另一端传播，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，使材料烧结和
合成。
特点：利用高放热反应的能量使化学反应自动持续下去，最