梯度功能材料的制备与应用及其发展状况.

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学科前沿知识讲座论文

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梯度功能材料的制备与应用

及其发展状况

姓名:李振

学号:08132213

班级:材料物理08-2

日期:2011年10月22日

梯度功能材料的制备与应用及其发展状况

李振

(中国石油大学(华东理学院材料物理08-2,青岛,266555

摘要:近年来,梯度功能材料(Functionally Gradient Materials,FGM由于其优异的性能和特殊的功能,得到了迅速发展,展现出极大的应用价值。FGM的制备方法主要有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、气相沉积法、自蔓延高温燃烧法等。FGM在航空航天、机械工程、电磁工程、生物工程、核能和电气工程等领域都有广泛的应用。文章综述了FGM的制备方法、在各领域的应用以及发展现状,对未来的发展做了一些展望。

关键词:梯度功能材料;制备方法;应用;发展前景

1前言

一般复合材料中分散相是均匀分布的,材料的整体性能是同一的,但在有些情况下,人们常常希望同一件材料的两侧具有不同的性质或功能,又希望不同性能的两侧结合完美,从而不至于在苛刻的使用条件下因性能不匹配而发生破坏[1]。梯度功能材料(Functionally Gradient Materials,简称FGM就是这样一种材料,是指通过连续(或准连续地改变两种材料的结构、组成、密度等因素,使其内部界面减少乃至消失,从而得到能相应于组成与结构的变化而性能渐变的新型非均质复合材料[2-3]。目前,梯度功能材料的主要制备方法有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、气相沉积法、自蔓延高温燃烧合成法等[4]。在航空航天工程、机械工程、电磁工程、生物工程、核能及电气工程等领域都有广泛的应用。本文综述了梯度功能材料的不同制备方法及各自特点、应用及研究现状,并对其发展前景进行了讨论。

2梯度功能材料制备方法

2.1粉末冶金法(PM

PM法是将10μm~100μm粒径的粉末(金属、陶瓷充分混合,按组分梯度分层填充或连续成分控制填充,压实后烧结制

备FGM[5]。PM法具有设备简单、易于操作、成本低等优点,但需要对烧结温度、保温时间和冷却速度等工艺进行严格控制。2.2等离子喷涂法

等离子喷涂法是将原料粉末送至等离子射流中,以熔融状态

状态直接喷射到基材上形成涂层[4]。该方法使用粉末作喷涂材

料,以气体作载体将粉末吹入等离子射流中,依靠等离子弧将粉末熔化,熔融的粒子被进一步加速,然后以极高的速度打在经过净化和粗化处理的基材表面,产生强烈的塑性变形,相互挤嵌、填塞,形成扁平的层状结构涂层。

喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分和组织,获得FGM涂层。具有沉积速度快、无需烧结、不受基材截面积大小的限制等优点,尤其适合于大面积表面热障FGM涂层。

2.3激光熔覆法

激光熔覆法是随着激光技术的发展而产生的一种新兴的材料制备的方法。采用高能激光束作为热源辐照基材表面,同时将原料粉末送至基材表面。原料粉末和基材在激光束作用下共同融化,生成合金相。改变原料粉末成分含量,重复上述过程,即可获得具有一定梯度的材料。

激光熔覆技术具有很多优点:可以通过混合不同合金粉末进行成分设计,得到完全致密的冶金结合覆层;熔覆层稀释度小,且可精确控制;由于快速加热和冷却过程,

激光熔覆层组织均匀

致密,微观缺陷少,性能优于其他工艺生产的复合层性能[6]。该工艺工作快速,但设备成本较高。

2.4气相沉积法

气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术,按机理的不同分为物理气相沉积(PVD和化学气相沉积(CVD两类。

2.4.1物理气相沉积(PVD

物理气相沉积技术是真空沉积加工中的一个大分支,它是利用蒸发或溅射等物理形

式把金属从靶源移走,然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸气粒子沉积到基片或零件的表面以形成膜层。反应式采用的是与靶源材料性质相同的物质,并按一定的反应要求注入某种气体(例如氮、氧和碳氢化合物气体,使沉积过程起反应而生成

化合物膜层[7]。

利用物理气相沉积法,通过改变蒸发源可以合成多层不同的膜。PVD法沉积温度低,对基材热影响小,但沉积速率低,且不能连续控制成分分布。

2.4.2化学气相沉积(CVD

CVD法制备FGM是通过赋予原料气体不同的能量,在反应器中进行混合,使其产生化学反应而生成固相的膜沉积在基体上。CVD法的优点在于容易实现分散相浓度的连续变化,可使用多元系的原料气体合成复杂的化合物。采用喷嘴导入气体,能以1mm/h以上的速度成膜,通过选择合成温度,调节原料气流

量和压力来控制梯度沉积膜的组成与结构[2]。

2.5自蔓延高温燃烧合成法

自蔓延高温燃烧合成法是一种合成材料的新工艺,它通过加热原料粉局部区域激发引燃反应,反应放出的大量热量依次诱发

邻近层的化学反应,从而使反应自动持续地蔓延下去。具有纯度高、效率高、耗能少、工艺简单等优点。

3梯度功能材料的应用

3.1航空航天工程中的应用

在航空航天工程中,推进系统发动机中的燃烧气体通常要超过2000℃,对燃烧室壁会产生强烈的热冲击;燃烧室壁的另一侧

又要经受作为燃料的液氢的冷却作用,通常在-200℃左右[1]。这样,燃烧室壁接触燃烧气体的一侧要承受极高的温度,接触液氢的一侧又要承受极低的温度,一般材料不能满足这一要求。金属/陶瓷梯度功能材料很好地解决了这一问题,在陶瓷和金

属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化,使两种材料之间不出现界面,从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较好的新功能。

3.2机械工程中的应用

基于均值轴承存在着的极限PV值低与使用寿命短两大缺点,设计了梯度自润滑轴承,它通过往基体中添加PbCO3粉末,形成PbCO3/Fe合金粉配比的梯度分布,在烧结过程中PbCO3受热分解产生CO2气体,从而留下孔隙,PbCO3含量不同孔隙率也就不同,轴承的支承面为100%金属,孔隙率最小,而强度最大,摩擦面上为

100%PbCO3,孔隙率最大,可以储存更多的润滑剂来维持轴承的自润滑状态。同时PbCO3分解生成的PbO本身也是一种优良的固体润滑剂。因此,梯度自润滑轴承与一般的均质含油自润滑轴承相比,极限PV值由2.0MPa·m/s提高到4.0MPa·m/s,使用寿命也提高2倍多。

硬质合金是一种具有高硬度、高强度、耐磨性、耐蚀性和膨胀系数小等一系列优良性能的材料。在机械工业中广泛应用,如

切削刀具、矿山的凿岩工具等,但该材料固有的硬脆性与使用过程中要求有良好的韧性存在矛盾,已成为制约这种材料进一步扩大使用的关键因素。然而FGM概念使欧美等先进硬质合金生产厂家先后研究出梯度硬质合金,改变了传统硬质合金WC/Co比例不变的模式,其表现为表层Co含量低、硬度高、耐磨性好,而芯部Co含量高、强度大、冲击韧性更好,使合金的强度与韧性得到了很好的协调,当使用这种梯度硬质合金制成凿岩钻齿时,其工作寿命比传统均质硬质合金钻齿提高了3倍[8]。有研究使用粉末冶金法制得的Al-Si基梯度轻质合金可以大大提高材料的耐磨性[9]。

3.3电磁工程中的应用

在电磁工程中,梯度材料具有许多优异的性质,有的能抑制瞬间电流的放大作用,有的剩磁更低,主要用于制作磁盘、永磁体、振荡器等,可以提高产品性能。

3.4生物工程中的应用