梯度复合材料简单介绍..

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)
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。
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
——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。
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
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。
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。
将原料粉末体快速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
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。
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。
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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。