梯度复合材料简单介绍..
梯度功能复合材料,,
采用铸造−倾析−铸造技术制备A390/A356铝合金功能梯度复合材料时过热和凝固层厚度对其界面接合的影响Abstract: T he cast−decant−cast is a new method for the preparation of thefunctionally graded components that has been developed in recent years. The functionally graded cylindrical shape component with a radial gradient, e.g. the first alloy (A390) with high wear resistance on the surface of the piece and toughness and the second alloy (A356) of low machining costs in the core of the piece can be produced via this melt process. The effectof the second alloy superheat at temperatures of 750, 820 and 860 °C as well as the effect of the first alloy solidified layer at 25, 35 and 45 s decanting time on achieving the perfect interface between the twoalloys was investigated. The characterization of the interface was carried out by optical microscopy and scanning electron microscopy,and its width was measured by the microhardness test. The results showed that the best interface was obtained at 860 °Cand 35 s decanting time with a width of 500 µm. Also, the wear resistance test was performed to measure and compare the surface wear resistance to the core. Key words: A390 alloy; A356 alloy; functionally graded material; cast−decant−cast process摘要：铸造−倾析−铸造技术是近年来发展起来的一种制备功能梯度材料的新方法。
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。
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。
21
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
6
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
7
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。
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
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
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）。
梯度复合材料简单介绍
功能梯度材料
——发展方向
（２）制备工艺方面 常规的制备方法一般只能制造尺寸小、形 状简单的ＦＧＭ。开发和应用新的制备技 术，如仿生法、微波合成与烧结法、分子 自组装法、无压浸渗法、超分子复合法、 快速成型法、形变与马氏体相变法等，深 入研究电、磁、光、高能射线等对工艺的 影响，为梯度材料的制备提供更广阔的途 径。
粉末冶金法
通过粉末混合烧结形 成的FGM结构示意图
粉末冶金 法按其成 型工艺可 分为
直接填 充法
喷射积 层法
薄膜叠 层法
离心积 层法
粉浆浇 注法
功能梯度材料
——制备工艺
1.直接填充法
混合粉体经造粒、调整流动性后直接按所需 成分在压模内逐层充填，并压制成型。 此法虽工艺简便，但其成分分布只能是 阶梯式的。
功能梯度材料
Functionally Graded Materials
小组成员： 杨马 周马
功能梯度材料 有志者，事竟成，破釜沉舟， 百二秦关终属楚； 苦心人，天不负，卧薪尝胆， 三千越甲可吞吴。 说的是越王勾践，他有一把剑
功能梯度材料
人造梯度功能材料并不是新事物。越王勾践剑深埋地 下2400多年，1965年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。发现其主要成分是铜、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。
梯度功能材料
3
• 构件中 材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的 构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的 材料成分和性能的突然变化 局部应力集中。 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。 步进行的，这些应力集中就会大大地降低。 • 为减少材料的应力集中 ， 提高材料性能 ， 人们发展了 为减少材料的应力集中，提高材料性能， 新型的梯度功能材料 简称FGM) 。 梯度功能材料(简称 新型的梯度功能材料 简称 • 日本、美国、德国、俄罗斯、英国、法国、瑞士等许 日本、 美国、 德国、 俄罗斯、 英国、 法国、 多国家都开展FGM的研究，其应用已扩展到宇航、能 的研究， 多国家都开展 的研究 其应用已扩展到宇航、 交通、光学、化学、生物医学工程等各领域。 源、交通、光学、化学、生物医学工程等各领域。
梯度功能材料快速成型
Functionaily Gradient Materials
1
主要内容
什么是梯度功能材料 梯度功能材料的制备 梯度功能材料的应用
2
• 许多结构件会遇到各种使用条件 ， 因此要求材料的性能应随构件 中的位置而不同。 中的位置而不同。 • 刀具只需刃部坚硬 ， 其它部位需 刀具只需刃部坚硬， 要具有高强度和韧性； 要具有高强度和韧性；
PVD镀膜器件 镀膜器件
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等离子喷涂法
• 等离子体喷涂能同时熔化难熔相和金属，通过控制 等离子体喷涂能同时熔化难熔相和金属， 两种粉末的相对供给速率来预先设置混合比率。 两种粉末的相对供给速率来预先设置混合比率。 • 使用粉末作为喷涂材料，以氦气、氩气等气体为载 使用粉末作为喷涂材料，以氦气、 吹入高温等离子体射流。 体，吹入高温等离子体射流。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， 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。 在基材表面形成涂层。高速使颗粒撞到固体基底上 时变得相当扁平，使涂层具有相对低的孔隙率。 时变得相当扁平，使涂层具有相对低的孔隙率。
功能梯度材料(FGM)
t ij t ui
Jt J J
1
aux
I
1
aux ij ij aux ( K I K Iaux )r 2 fijI ( ) ( K II K II )r 2 fijII ( )
Piecewise-exponential model (PE 模型 )
o a h c b
FGMs with arbitrary properties
y
x
边界条件:
PE 模型——分段指数模型
o
0
hn2
hM h
hn1
hn1 1
h2 h1
…
E0
y
…
a
… …
b
… …
M
x
EM
Schematic of the layers in the PE Model
功能梯度材料（ FGM ）特点：实现材料的两侧具有不 同的功能，同时克服 两种材料结合部位的性能不匹配。
陶瓷/非金属
陶瓷/金属系 梯度功能材料
发展
陶瓷/陶瓷
金属/非金属 非金属/塑料
功能梯度材料— 一种典型的非均匀材料 一种复合材料
功能梯度材料
FGM作为一种可设 计的新型材料，被 认为是在高温环境 下最有应用前景的 复合材料之一，而 且在其它更广泛领 域内的应用也显示 出巨大的潜力！
一． 功能梯度材料的应用与研究背景
二． 任意属性功能梯度材料的断裂力学解析模型
三． 任意属性功能梯度材料的断裂力学数值模拟模 型
任意属性非均匀材料裂纹问题的数值模拟方法
—— 相互作用积分方法与扩展有限元法的结合
梯度复合材料的制备和应用
（ＳｈａａｎｘｉＴｏｎｇｌｉＳｐｅｃｉａｌＰｕｒｐｏｓｅＶｅｈｉｃｌｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂａｏｊｉ７２１００８，ＳｈａａｎｘｉＣｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｇｒａｄｉｅｎｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｍａｔｅｒｉａｌ，ａｎｄｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｔｈｅ１９８０ｓ．Ｔｈｅｒｅａｒｅ
缺点是增强相与基体之间浸润性不良，界面易反应
粉末冶金法是将金属和陶瓷等粉末按一定梯度 生成脆性相，仅限于管状和环状零件，尤其是亚微米
分布直接填充到模具中加压烧结，或将不同组分的 粉末压制成薄片后再进行叠层烧结。在烧结时应注
和纳米级增强体极难复合，影响其性能。 宋义刚等人 利 ［２４］ 用离心反应熔铸工艺制备了
根据材料的组织结构和使用性能要求，业已发 展了多种制备梯度复合材料的方法，有相分布控制 和粒子排列两大类。通常，需根据梯度复合材料的 成分、形状及尺寸要求选用制备工艺。最常用的制 备工艺有喷涂法、物理或化学气相沉积法、粉末堆积 法、自蔓延烧结法、离心铸造法和 ３Ｄ打印法等［１１］。
本文介绍了梯度复合材料的制备工艺，分析了不同 制备工艺的优缺点，介绍了国内外的研究成果，提出 了未来的发展方向。
１ 梯度复合材料的制备工艺
１．１ 喷涂法 喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺，主要用于
制备形状复杂的零部件。通常，将陶瓷和金属粉末 分别通过不同的管道用惰性气体输送至等离子喷 枪，在融熔状态下将其喷涂在基体材料上，形成梯度 复合材料涂层。
喷涂法的优点是能改变粉末的组分，沉积效果 好，无需烧结，不受基体面积大小的限制，涂层界面 结合强度、抗热冲击和热疲劳性能良好。缺点是梯 度涂层与基体间的结合强度不高且组织不均匀，有 孔洞和疏松等缺陷，且表面较粗糙。
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。
梯度复合材料
课程论文学院：化学与材料科学学院专业：材料化学梯度复合材料摘要：梯度复合材料，是一种结构组成沿厚度方向阶梯性变化的材料，导致材料的不同部位具有不同的使用性能，以便于更加适合材料的工作环境，是一种新型的复合材料。
梯度复合材料结构和性能的可控性使其广泛应用于航空航天、计算机线路板、装甲以及光学仪器等领域，因此对梯度复合材料的研究日益重要。
本文将详细介绍梯度复合材料的现状、性能、制备及其应用与发展等方面。
关键词：梯度复合材料；性能可变性；制备；应用正文：1、梯度复合材料的研究背景1.1梯度复合材料的由来早在大自然中，就出现了很多典型的梯度复合材料，比如岩石、竹子和人类与动物的骨骼，只不过相对于这些植物，人类的骨骼是一种“智能”梯度复合材料，他们能根据环境的变化产生相应的结构性能变化，而竹子或人造梯度复合材料是不同的部位有不同的结构，能承受的应力不同，性能也不尽相同，缺乏智能性。
上个世纪，随着航空航天的发展，人们对材料的要求也越来越高，而材料的隔热成为了航空航天材料最大的问题。
特殊的服役环境使一般的材料面临着高温和较大的温度梯度的挑战。
针对这个问题，日本科学家新野正等人在1987年首次提出“功能梯度复合材料”的概念，即functionally graded materials简称FGM。
1.2梯度复合材料的介绍梯度复合材料的定义为：以计算机辅助设计为基础，采用先进的材料制备技术，使材料的组成、结构沿厚度方向呈梯度变化，从而使材料的性能也呈梯度变化的一种材料。
与普通材料不同，它是选用两种（或多种）性能不同的材料，通过连续地改变这两种（或多种）材料的组成和结构，来使材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能复合材料。
正因为它的性能可控性、可设计性和可变性，使得梯度复合材料具有巨大的应用前景。
下图即为材料的示意图，他可以连接两种不相容的材料，提高粘结强度，消除不同材料之间的残余应力和裂纹驱动力，消除不同材料的交叉点，并使得功能和性能因为内部位置不同而不同，从而使性能实现梯度变化。
梯度功能材料
陶瓷／陶瓷
梯度功能复合材料
②、组成变化上分：
——概念
（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）折射率梯度功能材料
梯度功能复合材料
航天工业
• 把 直 径 为 1~1.5m 的 高 纯 石 英 纤 维 加 压 成 型 ， 1290℃烧成后再按要求切成外形不同、大小不等的 “砖块”，粘贴到航天飞机蒙皮上。这种复合材料 防热系统的重复使用性、可靠性等存在很大问题。
发现号航天飞机的陶瓷热防护盔甲
2003年2月1日，“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因 就是这架航天飞机左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的 泡沫绝缘材料撞击，造成机体表面隔热保护层出现了大 面积松动和破损，形成可让“热气进入的空洞”，返航 途中因超高温空气入侵而彻底解体。
3.薄膜叠层法
在陶瓷和金属粉末体原料中加入微量粘结剂 与分散剂，用振动磨混合制浆并经减压搅拌脱泡， 用刮浆刀制成厚度10～200um的薄膜，将不同比例 的薄膜叠层压制，脱除黏合剂后，加压烧结陈阶 梯状FGM。要注意调节粉末粒度分布和烧结收缩的 均匀性，防止烧结式出现裂纹和层间剥落。
4.离心积层法
梯度功能复合材料
• 梯度功能材料早就出现在自然界中。 • 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FGM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。
聚合物基金属梯度复合材料的制备与结构研究
ｅ ｃ ｏ ｈ ｍ ｃ ｌ ｒｄ ｃ ｄ ｈ ｖ ｓ ｇｔ ｎｓ ｏ ｅ ：（ ）ｌ ｅ ｏ ｔ ｔ ｆ ｙ ｒｐ ｏ ｉ ｐ ｌｍ ｒ ｍ ａｔ ｈｇ ｅ ｌ ｔ ｃ ｅ ｉ ｙ ｅ ｕ ｅ ．Ｔ ｅｉ ｅ ｔ ａ ｏ ｈ ｗ ｄ １ ｏ ｒ ｎｅ ｄｏ ｈ ｂｃ ｏ ｅ ｐ ｒ ｉｈ ｒ — ｅｒ ｌ ａ ｎ ｉ ｉ ｗ ｃ ｎ ｏｈ ｙ ｉ ｓ ｉ
Ｓｔ ｄｙ ｆ ｒ ｔ ｅ ｕ ｏ ｈｅ ｐｒ ｐａｒ ｉｎ ｎｄ ｓｒ ｔ ｅ ｏ ｅａｌ— ｉ — ｐｏｙｍ ｅ ａ ｅ ｏｍ ｐｏ ｉｅ ａｔｏ ａ ｔ ｕｃｕｒ ｆ ｍ ｔ ｎ ｌ ｒ ｇｒ ｄｉｎｔ ｃ ｓｔ
Ｗ ＡＮＧ Ｚ ａ ｈ ｏ—ｌｎ ，Ｙ ｏ—ｑ ａ ｇ，Ｔ Ｇ ｉｎ—ｇ ｏ ｏｇ Ｕ Ｇｕ ｉｎ ＡＮ Ｊａ ｕ ，Ｗ ＡＮＧ Ｙ ｏ，Ｌ Ｕ ｉ ｉｎ，Ｃ ｈ ｕ—ｘ ａ ｇ ａ Ｉ ｊ —ｘａ ＡＯ Ｓ ｏ ｉｎ
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
短纤维增强铝硅合金梯度复合材料耐磨性能的研究
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｅ ｒ Ｒｅ ｉｔ ｎ ｅ ｏ ｕ ｉ ｕ ｉ ｃ ｎ Ａｌ ｙ ｓ ａ ｃ ｎ Ｗ ａ ｓｓａ ｃ ｆＡｌ ｍ ｎ ｍ Ｓ ｌ ｏ ｌ ｉ ｏ Ｇｒ ｄ ａ ｍ ｐ ｓｔ ｓＲｅ ｎ ｏ ｃ ｄ ｂ ｈ ｒ ｂ ｒ ａ ｕ ｌＣｏ ｏ ｉｅ ｉ ｆ ｒ ｅ ｙ Ｓ ｏ ｔＦｉ ｅ
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第２ ８ 卷第３ 期
江西理工大学学报
Ｖ１ ， ． 。８ ｏ ．Ｎ ３ ２
２００７年 ６月 Ｊ ＵＲ ＡＬ Ｆ Ｉ Ｇ Ｕ Ｉ Ｅ ＳＴ Ｏ Ｎ Ｏ ＪＡＮ ＸＩ Ｎ Ｖ Ｒ Ｉ ＹＯ Ｓ Ｉ Ｎ ＥＡ ＤＴ Ｃ Ｏ Ｏ Ｙ Ｊ ｎ． ０ ７ Ｆ ＣＥ Ｃ Ｎ Ｅ ＨＮ Ｌ Ｇ ｕ ２ ０
文章 编号 ：０ ７ １ ２ （ ０ ７ ０ — ０ ４ ０ １ ０ — ２ ９ ２ ０ ）３ ０ １－ ４
短 纤维增 强铝硅合金梯 度复合材料 耐磨性 能 的研 究
刘小 梅 ， 刘 静
（ 江西理工 大学机 电工程 学院， 江西 赣州 ３ １０ ４ ００）
摘
要 ： 用挤 压铸 造技 术制备 短 纤 维增 强铝硅合 金 梯度 复合 材料 ， 究 了这 类材 料 的凝 固组 织 采 研
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ： ｈ ｒ ｂｅ ；ａ ｕ ｎ ｍ ｉｉｏ ｌｏ ｒ ａ ａ ｏ ｄ ｓ ｏ ｆ ｒ ｌ ｍｉ ｕ ｓｌ ｎａｌ ｙ；ｇ ｄｕ ｃ ｍｐｏ ｉｅ；ｗｅ ｒｒ ｓｓａ ｃ ｔｉ ｃ ｌ ｓｔ ａ ｅ ｉｔ ｎ ｅ
Ｏ 引 言
早期 的铝合金复合材料因原材料昂贵和制备工艺复杂 ， 其应用仅 限于航空 、 航天和军工部门． ， 目前 利 用铸造技术制备短纤维 、 颗粒增强铝合金复合材料简易可行 ， 经济性好 ， 被认为是最有效 的制备铝合金复 合材料的方、【 法” ． 短纤维 、 颗粒增强铝合金复合材料 ， 既可铸造成品件 ， 也可制成供二次加工使用 的铸锭 ， 是
梯度复合材料激光熔化沉积成形的研究进展
Ｄｅ ｏ ｉｉ ｎ ｏ ａ ｅ ｍ ｐｏ ｉｅ ｐ ｓｔｏ ｆ Ｇｒ ｄｉｎｔ Ｃｏ ｓｔ ｓ
ＺＨＡＮＧ ｎ ｚ ｏ ｇ， Ｓ ｉ ａ Ｙｏ ｇ ｈ ｎ ＨＩ Ｌ ｋ ｉ
（ ｅ ｔ ｒＣ ｍ ｏｉ ｓ Ｇ ｎ ｒ ｅｅ ｒｈ Ｉｓ ｔｔ ｆ ｏ Ｃ ｎｅ ｆ ｏ ｐ ｓ ｅ ， ｅ ｅａ Ｒ ｓａｃ ｎｔ ｕｅｏ Ｎ ｎ—Ｆ ｒ ｕ ｔ ｓ ｅ ｉｇ１ ０ ８ ，Ｃ ｉ ） ｒｏ ｔ ｌ ｉ ｒ ｅｒ ｓＭｅ ｌ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ８ ｈｎ ｏ ａ ｊ ａ
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第２ ９卷
第１ ｌ期
中 国 材 料 进 展
Ｍ ＡＴＥＲＩ ＡＬＳ ＣＨ Ｉ ＮＡ
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ ห้องสมุดไป่ตู้ １２ ．１
Ｎｏ ． ｖ ２０１ ０
２１ ０ ０年 １ 月 １
梯 度 复 合 材 料 激 光 熔 化 沉 积 成 形 的 研 究 进 展
张 永 忠 ， 石 力 开
（ 京 有 色 金 属 研 究 总 院 复 合 材 料 中 心 ，北 京 １０ ８ ） 北 ０ ０ ８
关 键 词 ：梯度 复合 材料 ；激光熔化沉积 ；柔性控制 ；界面
中 图 分 类 号 ：Ｔ ３ Ｂ９
文 献 标 识 码 ：Ａ
文章 编 号 ：１ ７ ３ ６ ２ １ ） １ ０ ２ —０ ６ ４— ９ ２（０ ０ ｌ — ０ １ ５
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功能梯度材料
梯度功能材料早就出现在自然界中。 • 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。
竹子
• 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FGM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。
——概念
微观组织 宏观组织
均质/非均质 均质
非均质 均质
功能
一致
一致
梯度化
• 将金属、陶瓷等粉末按一定 梯度分布直接填充到模具中 加压烧结；也可将不同组分 粉末压成薄膜/片后进行叠层 烧结。 • 控制各组分混合比，使压后 的粉坯梯度层间任一组分浓 度变化较小，梯度层间接合 紧密。 • 调节粉末粒度分布和烧结工 艺，可得良好热应力缓和的 梯度功能材料。
功能梯度材料
——产生背景
随着应航天航空的需要，，两日本人（新野正之、 平井敏雄）于1986年首先提出的，其实我们祖 先早在2400多年前就已生产了。 下图为ＦＧＭ的示意图。ＦＧＭ的主要优势体现 在可以连接２种不相容的材料，提高粘结强度， 减小不同材料之间的残余应力和裂纹驱动力， 消除不同材料界面的交叉点。
5.粉浆浇注法
将原料粉均匀混合成浆料，通过连续控制粉浆 配比，注入模型内部，可得到成分连续变化的试 件，经干燥在热压烧结成FGM
• 等离子体喷涂能同时熔化难熔相和金属，通过 控制两种粉末的相对供给速率来预先设置混合 比率。 • 使用粉末作为喷涂材料，以氦气、氩气等气体 为载体，吹入高温等离子体射流。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。高速使颗 粒撞到固体基底上时变得相当扁平，使涂层具 有相对低的孔隙率。
粉末冶金法
通过粉末混合烧结形 成的FGM结构示意图
粉末冶金 法按其成 型工艺可 分为
直接填 充法
喷射积 层法
薄膜叠 层法
离心积 层法
粉浆浇 注法
功能梯度材料
——制备工艺
1.直接填充法
混合粉体经造粒、调整流动性后直接按所需 成分在压模内逐层充填，并压制成型。 此法虽工艺简便，但其成分分布只能是 阶梯式的。
竹节中纤维素含量变化
功能梯度材料
一、产生背景 二、概念 三、设计过程 四、制备工艺 五、发展方向 六、应用
功能梯度材料
——产生背景
人类很早就认识到非均匀材料广泛存在于自然 界中，如岩石、竹子、牙齿、骨骼等生命或非 生命物体，并且其中一些的应用已有数千年的 历史。２０世纪８０年代以来，随着航空航天 工业的发展，材料的隔热成了最大的问题，特 殊的服役环境致使一般的匀质材料面临着高温 和大的温度梯度的挑战，即使足采用陶瓷或金 属复合材料，由于两者的热膨胀系数的差异， 在高温使用时也会产生巨大的热应力，导致在 材料表层出现剥落或龟裂，使材料失效。
2.喷射积层法
原料粉体各自加入分散剂搅拌成悬浮液，混合 均匀后，一边搅拌混合，一边用压缩空气喷射到 预热的基板上，通过计算机控制粉末浆的流速及 X-Y平台的移动方式，即可得到成分连续变化的 沉积层。喷射沉积层经干燥后冷压成型，在热压 烧结即得到FGM。 该工艺的最大特点是：可连续改变粉末积层 的组成，控制精度高，是很有发展前途的梯 度基层法。
功能梯度材料
① 组 合 方 式 上 分
——概念
金属/金属
金属／陶瓷
陶瓷／非金属
梯度功 能材料
金属／非金属 非金属／塑料
陶瓷／陶瓷
功能梯度材料
②、组成变化上分：
——概念
（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）折射率梯度功能材料
功能梯度材料
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 混杂材料 分子、原子级水平合 金化 0.1nm-0.1m 化学键、物理键 复合材料 梯度材料 组分优点的复合 特殊功能为 目标 0.1m-1m 分子间力 10nm-10mm 分子间力/ 物理键/化 学键 均质/非均 质 非均质
功能梯度材料
Functionally Graded Materials
小组成员： 杨马 周马
功能梯度材料 有志者，事竟成，破釜沉舟， 百二秦关终属楚； 苦心人，天不负，卧薪尝胆， 三千越甲可吞吴。 说的是越王勾践，他有一把剑
功能梯度材料
人造梯度功能材料并不是新事物。越王勾践剑深埋地 下2400多年，1965年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。发现其主要成分是铜、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。
3.薄膜叠层法
在陶瓷和金属粉末体原料中加入微量粘结剂与 分散剂，用振动磨混合制浆并经减压搅拌脱泡， 用刮浆刀制成厚度10～200um的薄膜，将不同比 例的薄膜叠层压制，脱除黏合剂后，加压烧结陈 阶梯状FGM。要注意调节粉末粒度分布和烧结收 缩的均匀性，防止烧结式出现裂纹和层混合后送入高速离心机中，粉 末在离心力作用下紧密沉积于离心机内壁，改变 混合比可获得连续成分梯度分布，经过注蜡处理 后，离心沉积具有一定生坯强度，可经受切割、 冷压等后续成型加工，最后再烧结处理即可。该 工艺沉积速度极快，目前实验室规模下，沉积直 径15mm、高5mm、壁厚5～10mm的FGM圆环 仅需5min。
功能梯度材料
——概念
梯度功能材料(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；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。
★ FGM，又称倾斜功能复合材料。
功能梯度材料
——概念
材料显著特征：
⑴组分结构及物性参数都呈连续变化; ⑵同一件材料的两侧具有不同性质或功能， 且能完美结合; ⑶在苛刻的使用条件下性能匹配而不发生 破坏。