第十二章功能梯度材料
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
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。
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。
功能梯度材料的概述
功能梯度材料的概述摘要：功能梯度材料是一种新型复合材料，本文阐述功能梯度材料的概念，表征，制备方法及应用。
关键词：功能梯度材料(FGM) 概念表征性能制备前景1 概述：功能梯度材料（Functionally Graded Materials,简称FGM）是采用先进的材料复合技术, 使材料的组成、结构沿厚度方向呈梯度变化的一种新型的非均质复合材料。
FGM的概念是由日本学者平井敏雄、新野正之等人于1987 年提出的为了解决在设计制造新一代航天飞机的热应力缓和问题的材料。
在航天飞机推进系统并列喷气燃烧器或再用型火箭燃烧器中, 由于气体燃烧温度高达2000℃ , 燃烧室壁承受的热负荷可达100MW/m2, 因此用做燃烧室壁的材料对耐热性、隔热性、耐久性和强韧性有很高的要求。
最初研究的FGM是表面使用温度达2000K、表里温度相差约1000K 的新型超耐热材。
2 表征:2.1 基于梯度源的功能梯度材料表示方法基于梯度源的功能梯度材料实体模型由香港大学的Y. K. Siu 和S. T. Tan,提出该模型将实体的几何元素 (如点、线、面)作为梯度源,记录该梯度源下的材料成分方程f ( d )及材料数组M, 其中, 材料成分方程f ( d)由各点到梯度源的垂直距离来记录实体内部材料分布情况.2.2 基于力学性能和玻璃化转变温度的功能梯度材料表示方法通过均匀分散碳纳米填料制备FGM ,用玻璃化转变温度和应力与应变行为的梯度来表征这些材料。
当油含量沿着薄层厚度从0 份变为100 份时,FGM 的玻璃化转变温度Tg从- 56 ℃变为- 80 ℃。
油含量的变化也使拉伸强度、弹性模量、拉断伸长率等沿厚度发生变化。
FGM 的机械性能和Tg 的这种变化有助于在过渡区的低温环境下(即- 56 ℃～80 ℃) 既保持弹性又具有强度。
3 制备方法:3.1 电沉积法在含有某种金属离子的电解溶液中将被沉积工件作为阴极，通过一定波形的低压直流电，使金属离子不断在阴极上沉积为金属的过程。
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
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
10
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。
基于增材制造的功能梯度材料及其结构研究综述
基于增材制造的功能梯度材料及其结构研究综述一、引言在当今科技高速发展的时代，材料科学领域的突破性进展一直备受瞩目。
其中，基于增材制造的功能梯度材料的研究和应用日益成为热点话题。
功能梯度材料是指材料中具有不同性能和功能的梯度结构，而增材制造则是一种通过逐层堆积材料来制造目标构件的先进制造技术。
结合二者所带来的潜力和优势，这一研究方向正在逐渐成为学界和工业界共同关注的领域。
二、功能梯度材料的概念和特点功能梯度材料具有以下几个显著特点：它们不同部分材料的性能和功能呈现逐渐变化的梯度结构，因而可以满足多种复杂应变场下的工程需求；功能梯度材料在材料设计和加工方面具有灵活性和设计空间大等特征，使得它们能够以更加高效和经济的方式满足设计要求；它们多样的功能和性能特征，使得功能梯度材料在航空航天、生物医学、能源等领域具有广泛的应用前景。
三、增材制造技术及其在功能梯度材料中的应用增材制造技术的发展为功能梯度材料的制备提供了强有力的技术支持。
通过激光熔化、电子束熔化、熔融沉积等增材制造技术，可以在微观尺度上实现材料成分和结构的精细控制。
这种精细控制使得功能梯度材料的制备变得更加灵活多样。
各种增材制造技术也在实际中得到了广泛的应用，例如在制造航空发动机叶片、医用植入物等方面发挥了重要作用。
四、功能梯度材料结构设计的理论基础和方法功能梯度材料结构设计的过程包括对材料性能和功能的分析、对材料力学和工程行为的预测、以及结构与性能之间的关联性研究等多个方面。
还需要考虑增材制造工艺本身对材料性能和结构的影响。
通过结构设计，可以最大限度地发挥功能梯度材料的优势和特性，以满足不同应用环境和工程要求。
五、功能梯度材料在航空航天领域的应用航空航天领域对材料性能和结构要求极高，这也使得功能梯度材料的应用成为研究的重点之一。
在航空发动机、卫星构件、航天器部件等方面，功能梯度材料因其独特的适应性和性能优势而备受青睐。
通过增材制造技术，可以实现航空发动机叶片的复杂结构和高温耐久性，进而提高整机的性能和可靠性。
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。
功能梯度材料合金
功能梯度材料合金
功能梯度材料是一类具有逐渐变化成分或结构的材料。
功能梯度合金是功能梯度材料的一个特定类型，其中的主要构成是合金元素。
这种材料设计的主要目的是在空间上逐渐改变其性质，以适应特定工程或应用需求。
以下是功能梯度合金的一些特点和应用：
1.组成梯度：在功能梯度合金中，合金元素的成分会逐渐变化，形成一个成分梯度。
这种梯度设计可用于调控材料的机械性能、导热性、耐腐蚀性等。
2.性能调控：通过在材料中引入不同的合金元素或在不同区域采用不同的热处理工艺，可以实现材料性能的逐渐变化。
例如，在高温区域提高材料的抗氧化性能，而在强度要求较高的区域增加硬度。
3.应用领域：功能梯度合金在航空航天、汽车工业、电子设备等领域有广泛的应用。
它们常被用于制造高温部件、耐腐蚀结构、高性能传感器等。
4.制备方法：制备功能梯度合金的方法包括粉末冶金、电沉积、热处理等。
这些方法可以实现对材料成分和结构的精确控制。
5.优点：功能梯度合金的优点之一是能够在一个材料中结合多种性能，从而提高整体性能，减少材料的浪费。
6.挑战：制备和设计功能梯度合金需要对材料科学和工程学的深刻理解。
此外，材料的制备和性能测试也可能面临一些技术挑战。
功能梯度合金的研究和应用为开发更高性能、更符合特定工程需求的材料提供了新的思路。
这种材料设计的灵活性使其在多个领域都具有潜在的应用前景。
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。
功能梯度材料的设计
功能梯度材料的设计功能梯度材料（Functionally Graded Materials，简称FGMs）是一种具有特殊结构和性能的材料，其组成成分和性质在空间上呈连续变化。
功能梯度材料的设计旨在通过合理调控材料的组成和结构，实现在不同位置具有不同性能的材料。
本文将介绍功能梯度材料的设计原理和方法，并探讨其在工程领域的应用。
一、功能梯度材料的设计原理功能梯度材料的设计原理基于材料的组成和结构的变化。
通过在材料内部逐渐改变组成和结构，可以实现材料性能的梯度变化。
常见的功能梯度材料设计原理包括以下几种：1. 成分梯度设计：通过在材料内部逐渐改变成分比例，实现材料性能的梯度变化。
例如，在金属材料中，可以通过在合金中逐渐改变不同金属元素的含量，实现硬度、强度等性能的梯度变化。
2. 结构梯度设计：通过在材料内部逐渐改变结构特征，实现材料性能的梯度变化。
例如，在陶瓷材料中，可以通过在材料内部逐渐改变晶粒尺寸、晶界密度等结构参数，实现热导率、抗磨损性等性能的梯度变化。
3. 复合梯度设计：将成分梯度和结构梯度相结合，实现材料性能的复合梯度变化。
例如，在复合材料中，可以通过在不同层次上逐渐改变纤维含量、纤维方向等成分和结构参数，实现强度、刚度等性能的复合梯度变化。
二、功能梯度材料的设计方法功能梯度材料的设计方法主要包括以下几种：1. 渐变比例法：通过逐渐改变材料中不同成分的比例，实现材料性能的梯度变化。
这种方法可以通过合金熔炼、粉末冶金等工艺实现。
2. 渐变结构法：通过逐渐改变材料的结构特征，实现材料性能的梯度变化。
这种方法可以通过热处理、机械加工等工艺实现。
3. 复合设计法：将不同材料组合在一起，形成复合材料，实现材料性能的复合梯度变化。
这种方法可以通过层压、热压等工艺实现。
三、功能梯度材料的应用功能梯度材料在工程领域有着广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：1. 航空航天领域：功能梯度材料可以用于制造航空发动机叶片、航天器外壳等部件，提高其耐高温、抗磨损等性能。
第十二章 梯度功能材料
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。
• 如果折射率从边缘到轴心连续增加，就是自聚焦 如果折射率从边缘到轴心连续增加， 透镜，相当于普通凸透镜 凸透镜。 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 如果折射率从边缘到轴心连续降低， 透镜相当于凹透镜 凹透镜。 透镜相当于凹透镜。
2.轴向梯度折射率材料 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 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 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。
热防护梯度功能材料和梯度折射率材料等。
12.2 热防护梯度功能材料
设计 合成 特征评价
12.2.1 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 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 普通的陶瓷、金属和复合材料的机械强度、 热性、耐热循环性和寿命都很难满足要求。 热性、耐热循环性和寿命都很难满足要求。
MDGM
二硅化钼（MoSi2），熔点高（2030ºC）、抗高温氧化、耐腐蚀、导电性好、 热稳定性高、还具有抵抗钠、锡、铅、锂、铋等熔融金属液浸蚀的本领。 可以制造MoSi2高温发热元件，高温热电偶保护套管；制造熔炼钠、锡、铅、 锂、铋等金属的坩埚和原子反应堆装置的热交换器；还制造飞机、火箭、 导弹的某些零部件。 室温脆、高温强度低 MDGM是MoSi2的新产品，该产品是在钢或高温合金基体表层，通过高能 在钢或高温合金基体表层， 在钢或高温合金基体表层 离子渗镀MoSi2，在基体表面形成MoSi2致密镀层，在基体表层内形成一定 离子渗镀 厚度的MoSi2富集注渗层及过渡层，形成具有两种材料综合性能的新型材料。 在室温下，基体材料的韧性使MDGM不脆了，耐蚀功能则由渗镀在表层的 MoSi2承担；在高温时，高温强度则由所选高温合金的基体材料决定，表层 抗高温氧化的职责由MoSi2负责。
功能梯度材料的制备与特性
功能梯度材料的制备与特性功能梯度材料，这听起来是不是有点高大上？其实呀，它就在咱们身边，只是您可能没留意罢了。
我先给您讲讲这功能梯度材料是咋制备出来的。
打个比方，就像我之前去一家陶瓷厂参观，看到师傅们制作陶瓷杯子。
他们可不是简单地把陶土一揉一捏就完事，而是有讲究的。
制备功能梯度材料也是这样，得一步一步来，精细着呢！首先，得选好材料。
这就好比做菜选食材，得挑新鲜、合适的。
不同的材料组合在一起，才能产生奇妙的效果。
然后，通过一些特殊的工艺，像是逐层沉积、等离子喷涂等等，让这些材料一层一层地叠加起来，形成有梯度变化的结构。
这过程就像盖房子，一层一层往上砌，还得保证每一层都牢固、平整。
再说特性，这功能梯度材料的特性可神奇了。
它就像一个“全能选手”，能在各种环境下都表现出色。
比如说，有些功能梯度材料，一边能耐高温，另一边又能抗低温，简直是冷热不侵。
这让我想起有一次冬天去滑雪，穿的那件衣服，外面能抵御寒风，里面又能保暖透气，感觉就有点像功能梯度材料的特性。
还有啊，功能梯度材料的强度和韧性也很出色。
有的时候，我们觉得东西要么特别硬容易脆，要么特别软没力度，可这功能梯度材料却能两者兼顾。
就好像是一个运动员，既有力气又有柔韧性，能应对各种挑战。
而且，它的耐磨性也不错。
想象一下，汽车的零部件要是用了这种材料，那得多耐用，不用老是担心磨损出问题。
在实际应用中，功能梯度材料在航空航天领域那可是大显身手。
飞机发动机的某些部件，就得靠它来承受高温高压的恶劣环境。
还有在生物医学方面，比如人工关节，用了这种材料，能更好地和人体组织融合，减少排斥反应。
总之，功能梯度材料的制备和特性真是充满了奥秘和惊喜。
随着科技的不断进步，相信它会在更多的领域发挥出更大的作用，给我们的生活带来更多的便利和创新。
说不定未来，咱们身边到处都能看到它的身影呢！。
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二、物理气相沉积技术
控制因素： 1.蒸发速度 2.蒸发物质的组成 3.基板温度 4.反应气体的导入量 阴极：中空 阳极：铜坩锅 氩气：阴阳级放电时
氩气电离产生 氩等离子体 坩锅中金属：受热、 熔融、蒸发、 沉积于基板
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过程： 通过加热等物理方法使源物质(如金 属等)蒸发，使蒸气直接沉积在基板 上成膜，或与反应气体作用并在基 版上沉积（物理－化学气相沉积） 特点： 1.物系的选择面宽 2.产物纯度高 3.组成控制精度高 4.可制多层不同物质的膜 5.膜薄，每层膜为一种物质 应用：合成瓷以及金 属/陶瓷的复合物
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生 物 功 能 梯 度 材 料
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人体长骨结构示意图
无机： 羟基磷灰石 碳酸磷灰石 有机： 胶原纤维
骨是无机与 有机的复合 材料
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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
绝热瓦
航天飞机的外部燃料箱体形巨大， 长度约为154英尺，直径大约27.6英 尺。哥伦比亚号的外部燃料箱净重 66,000磅，装满液氢和液氧之后，总 重量可达170万磅。
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12.1 功能梯度材料概述
1 梯度功能材料概念的提出 是应航天航空的需要，能在极限环境下正常工作而发展起来
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
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
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能 材 料热 的防 制护 备梯 方度 法功
12.2
原料体系 气相 液相 固相法
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方法类别 化学法 物理法 化学法
物理法 化学法 物理法
方法 化学气相沉积法 物理气相沉积
溅射法 离子注入法
电镀法 氧化还原法
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三.自蔓延技术
点火装置
产物
TiC
反
应
反应区
进
行
燃烧波前沿
方
预热区
向
混合物
Ti+C
SHS反应模型示意图
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钢管 铝热剂
Fe层 Al2O3陶瓷
离心复合梯度层
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过程： 将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化充填，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：适合于生成热大的化合物的合成，如AlN、TiC、TiB2等
均质/非均质
复合材料 组分优点的复 合 0.1m-1m 分子间力
非均质
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。
W:T=3680K, 19.3; MO:T=2890K,10.2 氧化物陶瓷熔点均在2000K以上，密度：
Al2O3=4.0；TiB2=4.5；SiC＝3.12等
虚线－压应力区；0－无应力区
比较发现：
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）
2. 成分逐步过渡，应力集中大大降低
3. 无梯度样品冷却时开裂，有梯度样
熔射法 熔体凝固法 自蔓延法（热分解法）
涂层法 烧结法 部分结晶法 扩散法
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常见热防护梯度功能制备工艺 一、化学气相沉积技术
热应力缓和型SiC/C 梯度材料的CVD合成 原料：SiCl4+CH4+H2 H2-载体气 SiCl4（液态）－硅源 CH4-C源 发热体－石墨 基板－石墨
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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
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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)
第十二章功能梯度材料
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背景：航空方面
每秒3.2公里，10倍音速
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设计
不锈钢－陶瓷(Si3N4)界面上应力分布 (单位：1/100MPa)
（a）无梯度；（b）有梯度
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过程：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，使生成物在基板上沉积 特点： 1.调节气的流量和压力控制组分比 2.可镀表面形状复杂的材料 3.沉积面光滑致密 4.沉积率高 应用：Ti／TiC、Ti／TiN、Cr／ CrN、SiC／C／TiC等
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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。
的一种新型功能材料。由两日本人（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。 2 梯度功能材料(functionally gradient materials，缩写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。
品有近400MPa结合强度
4.有梯度时集中区拉应力仅为无梯度
时的1/3～1/4
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成分设计： 表层：陶瓷类结构材 料，耐热、抗氧化 内层：金属材料，高 热导率、机械强度； 中间通过成分、结构、 性能上的梯度变化， 释放其热应力。
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液氧的温度约为-297华氏度 液氢的温度约为-423华氏度