功能梯度材料PPT幻灯片课件
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《梯度功能材料》课件
《梯度功能材料》PPT课 件
# 梯度功能材料
梯度功能材料是指在空间尺度上存在成分分布或结构演变的材料，具有多种 功能。本课件将介 - 重要性和应用领域
功能梯度材料的制备方法
- 梯度功能材料的基础介绍 - 制备方法 - 反应温度和时间 - 成品的性能
功能梯度材料的分类
- 按功能分 - 电学、磁学、光学等 - 按材料类型分 - 金属、聚合物等
功能梯度材料的应用
- 矫顽应力、有源隔振、节能环保等 - 生物医学、航天航空等
相关研究进展
- 国内外研究动态 - 特别是在新兴应用领域上的发展和应用现状
结语
- 功能梯度材料的前景 - 推广应用的支持和发展前景
功能梯度材料PPT幻灯片课件
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
14 14
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。
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
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。
11 11
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。
12 12
无机：
羟基磷灰石
生
碳酸磷灰石
物
有机：
功
胶原纤维
能
梯
度
骨是无机与
材
有机的复合
料
材料
人体长骨结构示意图
13 13
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
均质/非均质
复合材料 组分优点的复 合 0.1m-1m 分子间力
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
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
14 14
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。
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
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。
11 11
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。
12 12
无机：
羟基磷灰石
生
碳酸磷灰石
物
有机：
功
胶原纤维
能
梯
度
骨是无机与
材
有机的复合
料
材料
人体长骨结构示意图
13 13
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
均质/非均质
复合材料 组分优点的复 合 0.1m-1m 分子间力
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
最新2019-第十二章梯度功能材料-PPT课件
达到了实用水平。
12.3.1 折射率梯度类型
（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。
梯度功能材料的物性参数是一种非均质复合材料类型的 物性参数，它主要取决于梯度层中的组成和微观结构。 推定 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
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
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 连续变化。
光学梯度功能材料是最早研究的梯度功能材料。 1900年美国人用明胶做成了光折射率沿径向连续变化的 圆柱棒，称之为梯度折射率材料(gradient-index materials， 简称GIM)。由于制作工艺没有解决，未能实际应用。1969 年，日本人用离子交换工艺制成玻璃梯度折射率棒材和光纤，
FT8燃气轮机
主要性能如下： ISO基本功率（kW）25700 热效率（%）39.2 流量（kg/s）85.9 排气温度（℃）457℃ 大修间隔（小时）≥450 启动可靠性99% 可用性99.9%
12.3.1 折射率梯度类型
（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。
梯度功能材料的物性参数是一种非均质复合材料类型的 物性参数，它主要取决于梯度层中的组成和微观结构。 推定 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
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
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 连续变化。
光学梯度功能材料是最早研究的梯度功能材料。 1900年美国人用明胶做成了光折射率沿径向连续变化的 圆柱棒，称之为梯度折射率材料(gradient-index materials， 简称GIM)。由于制作工艺没有解决，未能实际应用。1969 年，日本人用离子交换工艺制成玻璃梯度折射率棒材和光纤，
FT8燃气轮机
主要性能如下： ISO基本功率（kW）25700 热效率（%）39.2 流量（kg/s）85.9 排气温度（℃）457℃ 大修间隔（小时）≥450 启动可靠性99% 可用性99.9%
【VIP专享】梯度功能材料讲稿
梯度功能材料一、引言许多结构件会遇到各种服役条件，因此，要求材料的性能应随构件中的位置而不同。
例如，民用或军用刀具都只需其刃部坚硬，其它部位需要具有高强度和韧性；一个齿轮轮体必须有好的韧性，而其表面则必须坚硬和耐磨；涡轮叶片的主体必须高强度、高韧性和抗蠕变，而它的外表面必须耐热和抗氧化。
诸如此类，可以发现现在应用的许多材料都是属于这个范畴。
众所周知，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，无论该应力是内部的还是外加的。
但人们同样知道，如果从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。
为了减少材料的应力集中，提高材料的性能，人们发展了一种新型的功能梯度材料(Functionaily Gradient Materials，简称FGM)。
虽然FGM产生的时间不长，但很快引起世界各国科学家的极大兴趣和关注。
日本、美国、德国、俄罗斯、英国、法国、瑞士等许多国家相继开展FGM的研究。
其应用已扩展到宇航．核能源、电工材料、光学工程、化学工业、生物医学工程等各个领域中。
二、梯度功能材料的发展梯度功能材料(FGM)是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚合物等)一体的新型材料，其结构、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。
梯度功能材料其实早就出现在自然界中。
神奇的大自然早制造出多种梯度材料。
例如，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。
但是，在生命体中的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大的差异。
有生命的“FGMs”也是“有智能的”，它们能够感受所处环境的变化(包括局部的应力集中)，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。
人造梯度功能材料并不是新的事物，只不过人们没有意识到而已。
人类制造的钢制器件实质就是一种功能梯度材料。
1900年，美国的伍德用明胶作成了光折射率沿径向连续变化的圆柱棒，称之为梯度折射材料。
8.梯度功能材料
32
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
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
储氢料和梯度功能材料详解演示文稿
发现号航天飞机的陶瓷热防护盔甲
第二十六页，共107页。
• 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。
起飞时燃料箱上的脱落物击中机翼
化学气相沉积法(CVD)
物理蒸镀法(PVD)
等离子喷涂法(PS)
自蔓延高温合成法(SHS)
粉末冶金法 激光熔覆法
化学气相渗透法(CVI)
电解析出法等
第十三页，共107页。
化学气相沉积法
• 两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定条件下发生化学反 应，使生成的固相物质在基板上沉积以制备FGM的方法。
• 梯度功能材料已经发展成为当前结构材料和功能材料研究领域中的重要主题 之一。
第六页，共107页。
摩擦升温后，梯度材料变化较小， 普通材料则变成兰紫色
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
第三页，共107页。
• 梯度功能材料主要特征有： 材料的组分和结构呈连续性梯度变化；
材料内部没有明显的界面；
材料的性质也呈连续性梯度变化。
第四页，共107页。
•ZrO2-CrNi合金FGM横截 面，白色的陶瓷粉末与黑色
的合金粉末含量呈连续性梯
度变化，没有明显的界面，
• 1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出使金属 和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。
第二十六页，共107页。
• 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。
起飞时燃料箱上的脱落物击中机翼
化学气相沉积法(CVD)
物理蒸镀法(PVD)
等离子喷涂法(PS)
自蔓延高温合成法(SHS)
粉末冶金法 激光熔覆法
化学气相渗透法(CVI)
电解析出法等
第十三页，共107页。
化学气相沉积法
• 两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定条件下发生化学反 应，使生成的固相物质在基板上沉积以制备FGM的方法。
• 梯度功能材料已经发展成为当前结构材料和功能材料研究领域中的重要主题 之一。
第六页，共107页。
摩擦升温后，梯度材料变化较小， 普通材料则变成兰紫色
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
第三页，共107页。
• 梯度功能材料主要特征有： 材料的组分和结构呈连续性梯度变化；
材料内部没有明显的界面；
材料的性质也呈连续性梯度变化。
第四页，共107页。
•ZrO2-CrNi合金FGM横截 面，白色的陶瓷粉末与黑色
的合金粉末含量呈连续性梯
度变化，没有明显的界面，
• 1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出使金属 和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。
梯度功能材料
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 微观组织 宏观组织 功能 混杂材料 复合材料 梯度材料
分子、原子级水 组分优点的复 特殊功能为目 平合金化 合 标 0.1nm-0.1m 0.1m-1m 10nm-10mm 分子间力/物 理键/化学键 均质/非均质 非均质 梯度化 化学键、物理键 分子间力 均质/非均质 均质 一致 非均质 均质 一致
• 下列梯度功能材料是什么组合方式？
枪
萤 火 一 号
柴油机的活塞头
• 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) • 3）功能上分： • （1）热防护梯度功能材料 • （2）折射率梯度 • 时间很早很早~~~~~~~~~不解释
不用或没用好的后果：很严重
哥 伦 比 亚 号
梯度功能材料的特点与分类
• 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。
• 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
通信二班
刘文龙
1004220227
序：
梯度功能材料： 是两种或多种材料复合成组分和结构呈梯 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。
实际应用：
• 厨房用刀
匕首
航天：
可怜的萤火一号
12.1 梯度功能材料及其特点
梯度功能材料的提出
功能梯度材料（Functionally Graded Materials, 以下简称FGM）的概念是由日本材料学家新野 正之、平井敏雄和渡边龙三等于1987（pay attention!!!)年提出。FGM就是为了适应新材料 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，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，没有突出，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。
功能梯度材料讲义
材料的介绍
传统制备方法的缺陷
快速原型制备方法
应用实例和发展前景
功能梯度材料 (FGM)定义
指一类组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的 非均质复合材料 （Funcitionally Graded Materials） 从组成变化来看，梯度功能材料可以分为3类：梯度功能整体型；梯 度功能涂覆型，梯度功能连接型。按应用领域来分：耐热功能梯度 材料、生物功能梯度材料、化学工程功能梯度材料和电子工程功能 梯度材料。
功能梯度材料的传统应用
功能梯度材料制备方法
FGM制备方法和设备存在的问题总结：
1. 设备针对性强，一种设备只能制备一种形状和结构的梯度材料
2. 只能制备形状和结构简单的梯度材料块、板和环，不能直接成型形 状结构复杂的零件
3. 不同材料组分只是一种自然状态下的简单混合，不能精确控制每种 材料组分相在构建中位置，不能正确反映设计者的意图，从而影响 了材料的性能。 4. 设备复杂，制备成本高
如图， 1700℃的ZrO2/Ni 梯度功能材料，其耐热材 料到金属的梯度渐变，消 除了材料组分相界，从而 克服由于材料热力学性能 不匹配而导致的零件失效 经验证，R0处的应力分 布为复合材料在界面处的 1/3---1/4
功能梯度材料的应用发展
当前的研究重点之一就是FGM模型在计算机内的表达问题
输出带几何信息和材料信息的二维接口文件
以航天飞机为例具体阐述功能梯度材料的应用
航天飞机推进系统中的超音速燃烧冲压式发动机中，燃烧气体温度通 常超过2000℃，对燃烧壁会产生强烈的热冲击，而燃烧壁另一侧受液 氢的冷却左右，温度为-200 ℃。金属的耐低温性和陶瓷的耐高温性结 合，但传统技术将金属和陶瓷结合起来，在极大的热应力下界面会受 到破坏。2003年“哥伦比亚”航天飞机失事的主要原因就是绝缘材料 脱落撞击到飞机左翼。
传统制备方法的缺陷
快速原型制备方法
应用实例和发展前景
功能梯度材料 (FGM)定义
指一类组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的 非均质复合材料 （Funcitionally Graded Materials） 从组成变化来看，梯度功能材料可以分为3类：梯度功能整体型；梯 度功能涂覆型，梯度功能连接型。按应用领域来分：耐热功能梯度 材料、生物功能梯度材料、化学工程功能梯度材料和电子工程功能 梯度材料。
功能梯度材料的传统应用
功能梯度材料制备方法
FGM制备方法和设备存在的问题总结：
1. 设备针对性强，一种设备只能制备一种形状和结构的梯度材料
2. 只能制备形状和结构简单的梯度材料块、板和环，不能直接成型形 状结构复杂的零件
3. 不同材料组分只是一种自然状态下的简单混合，不能精确控制每种 材料组分相在构建中位置，不能正确反映设计者的意图，从而影响 了材料的性能。 4. 设备复杂，制备成本高
如图， 1700℃的ZrO2/Ni 梯度功能材料，其耐热材 料到金属的梯度渐变，消 除了材料组分相界，从而 克服由于材料热力学性能 不匹配而导致的零件失效 经验证，R0处的应力分 布为复合材料在界面处的 1/3---1/4
功能梯度材料的应用发展
当前的研究重点之一就是FGM模型在计算机内的表达问题
输出带几何信息和材料信息的二维接口文件
以航天飞机为例具体阐述功能梯度材料的应用
航天飞机推进系统中的超音速燃烧冲压式发动机中，燃烧气体温度通 常超过2000℃，对燃烧壁会产生强烈的热冲击，而燃烧壁另一侧受液 氢的冷却左右，温度为-200 ℃。金属的耐低温性和陶瓷的耐高温性结 合，但传统技术将金属和陶瓷结合起来，在极大的热应力下界面会受 到破坏。2003年“哥伦比亚”航天飞机失事的主要原因就是绝缘材料 脱落撞击到飞机左翼。
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
梯度功能材料的分类及其Байду номын сангаас点
梯度功能材料是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、 聚合物等)、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 殊功能的新型材料，它与通常的混杂材料和复合材料有明 显的区别。
梯度功能材料的主要特征有以下三点：
①材料的组分和结构呈连续梯度变化；
②材料的内部没有明显的界面； ③材料的性质也相应呈连续梯度变化。
梯度光折射率材料
梯度折射率材料是一种非匀质材料，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呈连续 变化。
梯度折射率柱面透镜/棒状透镜/针状内窥镜透镜
梯度折射率材料的折射率梯度类型
(1)径向梯度折射率材料 该种材料为元棒状，其折射 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。
梯度功能材料
讲授人：杨纪恩 E-mail:yjen@
目录
梯度功能材料的分类及其特点 梯度光折射率材料
梯度功能材料
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。 最早研究的梯度功能材料是光学梯度功能材料。 1900年美国的Word用明胶做成了光折射率沿径向连 续变化的圆柱棒，称之为梯度折射率材料。 1969年，日本的北野等人用离子交换工艺制成玻璃 梯度折射率棒材和光纤，达到了实用水平。
1984年日本国立宇航实验室为适应宇航技术的发展， 提出了梯度功能材料的设想。 1987年日本平井敏雄等人提出了金属和陶瓷复合的 热防护梯度功能材料的概念。 1990年10月在日本召开了第一届梯度功能材料国际 研讨会。 我国1980年开始研究梯度功能材料。1991年梯度功 能材料及其应用列入了国家863计划和国家自然科学 基金项目。研究发展较快，进展较好。
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。
《梯度功能材料》课件
《梯度功能材料》 PPT课件
• 梯度功能材料的概述 • 梯度功能材料的制备方法 • 梯度功能材料的性能研究 • 梯度功能材料的发展趋势与展望 • 案例分析：梯度功能材料在航空
航天领域的应用
目录
01
梯度功能材料的概述
定义与特性
定义
梯度功能材料（Gradient Function Materials，GFM）是一种新型材料 ，其性能在空间上呈连续变化，从而 在材料内部实现了一种特殊的梯度结 构。
航空航天
用于制造高性能的航空发动机和 航天器部件，提高其耐高温、抗 腐蚀和减轻重量的性能。
生物医疗
用于制造人工关节、牙科种植体 等医疗器械，提高其生物相容性 和耐久性。
能源环保
用于制造高效能电池、燃料电池 等能源器件，提高其能量密度和 使用寿命。同时，在环保领域可 用于治理污染和修复生态。
02
梯度功能材料的制备方法
总结词
高强度、低密度、抗辐射
详细描述
卫星结构材料需要承受发射过程中的巨大应力和振动，同时在轨运行时还要承受太空中 的各种恶劣环境，如高真空、强辐射等。梯度功能材料通过优化材料成分和结构，实现 了高强度、低密度和抗辐射等多重性能的完美结合，为卫星结构提供了更加可靠和高效
的材料选择。
感谢观看
THANKS
01
通过优化材料组成和结构设计，开发具有优异性能的复合材料
，以满足各种工程应用的需求。
智能材料
02
研究和发展能够感知外部刺激并作出响应的材料，如形状记忆
合金、压电陶瓷等，用于制造智能传感器和执行器。
多功能材料
03
探索和开发具有多种功能的材料，如导电、导热、磁性、光学
等，以实现单一材料的多重应用。
• 梯度功能材料的概述 • 梯度功能材料的制备方法 • 梯度功能材料的性能研究 • 梯度功能材料的发展趋势与展望 • 案例分析：梯度功能材料在航空
航天领域的应用
目录
01
梯度功能材料的概述
定义与特性
定义
梯度功能材料（Gradient Function Materials，GFM）是一种新型材料 ，其性能在空间上呈连续变化，从而 在材料内部实现了一种特殊的梯度结 构。
航空航天
用于制造高性能的航空发动机和 航天器部件，提高其耐高温、抗 腐蚀和减轻重量的性能。
生物医疗
用于制造人工关节、牙科种植体 等医疗器械，提高其生物相容性 和耐久性。
能源环保
用于制造高效能电池、燃料电池 等能源器件，提高其能量密度和 使用寿命。同时，在环保领域可 用于治理污染和修复生态。
02
梯度功能材料的制备方法
总结词
高强度、低密度、抗辐射
详细描述
卫星结构材料需要承受发射过程中的巨大应力和振动，同时在轨运行时还要承受太空中 的各种恶劣环境，如高真空、强辐射等。梯度功能材料通过优化材料成分和结构，实现 了高强度、低密度和抗辐射等多重性能的完美结合，为卫星结构提供了更加可靠和高效
的材料选择。
感谢观看
THANKS
01
通过优化材料组成和结构设计，开发具有优异性能的复合材料
，以满足各种工程应用的需求。
智能材料
02
研究和发展能够感知外部刺激并作出响应的材料，如形状记忆
合金、压电陶瓷等，用于制造智能传感器和执行器。
多功能材料
03
探索和开发具有多种功能的材料，如导电、导热、磁性、光学
等，以实现单一材料的多重应用。
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第十二章 功能梯度材料
主讲－朱和国 南京理工大学材料系
1 1
本章的学的主要内容及学习要求
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：
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
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
7 7
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、 性度约为-297华氏度 液氢的温度约为-423华氏度
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。
15 15
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)
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
16 16
能 材 料热 的防 制护 备梯 方度 法功
12.2
三、难点：功能梯度材料的制备原理
2 2
背景：航天方面
航天飞机
3 3
神州号
杨利为
4 4
聂海胜、费俊龙
5 5
背景：航空方面
每秒3.2公里，10倍音速
6 6
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
W:T=3680K, 19.3; MO:T=2890K,10.2 氧化物陶瓷熔点均在2000K以上，密度：
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
12 12
无机：
羟基磷灰石
生
碳酸磷灰石
物
有机：
功
胶原纤维
能
梯
度
骨是无机与
材
有机的复合
料
材料
人体长骨结构示意图
13 13
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
均质/非均质
复合材料 组分优点的复 合 0.1m-1m 分子间力
原料体系 气相 液相
固相法
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
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
17 17
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
18 18
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
19 19
二、物理气相沉积技术
21 21
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
钢管 铝热剂
Fe层 Al2O3陶瓷
离心复合梯度层
22 22
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
10 10
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
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)
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
14 14
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。
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
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。
11 11
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。
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
20 20
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：合成各种金属和包括氧化物、 氮化物、碳化物在内的陶瓷以及金 属/陶瓷的复合物
主讲－朱和国 南京理工大学材料系
1 1
本章的学的主要内容及学习要求
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：
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
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
7 7
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、 性度约为-297华氏度 液氢的温度约为-423华氏度
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。
15 15
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)
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
16 16
能 材 料热 的防 制护 备梯 方度 法功
12.2
三、难点：功能梯度材料的制备原理
2 2
背景：航天方面
航天飞机
3 3
神州号
杨利为
4 4
聂海胜、费俊龙
5 5
背景：航空方面
每秒3.2公里，10倍音速
6 6
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
W:T=3680K, 19.3; MO:T=2890K,10.2 氧化物陶瓷熔点均在2000K以上，密度：
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
12 12
无机：
羟基磷灰石
生
碳酸磷灰石
物
有机：
功
胶原纤维
能
梯
度
骨是无机与
材
有机的复合
料
材料
人体长骨结构示意图
13 13
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
均质/非均质
复合材料 组分优点的复 合 0.1m-1m 分子间力
原料体系 气相 液相
固相法
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
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
17 17
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
18 18
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
19 19
二、物理气相沉积技术
21 21
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
钢管 铝热剂
Fe层 Al2O3陶瓷
离心复合梯度层
22 22
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
10 10
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
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)
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
14 14
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。
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
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。
11 11
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。
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
20 20
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：合成各种金属和包括氧化物、 氮化物、碳化物在内的陶瓷以及金 属/陶瓷的复合物