湖南大学金属功能材料第3章 功能梯度材料
《梯度功能材料》课件
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# 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1217020321
功能梯度材料的制备、应用与发展状况及展望摘要：近年来，功能梯度材料(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、自蔓延高温燃烧法等。
FGM在航空航天、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、特性、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：功能梯度材料；制备方法；特性；应用；发展前景正文：引言功能梯度材料(functional gradient material, FGM)，是指材料的组成、结构、孔隙率等要素沿厚度方向由一侧向另一侧连续变化，使材料的物理、化学、生物等性能沿着厚度方向也发生连续变化，可以适应不同环境，具有特殊功能的新型复合材料。
航天技术的发展对材料的性能提出了新的要求，航天飞机长时间在大气层中飞行，机头尖端和燃烧室内壁承受的温度高达2000℃，同时航天飞机中的某些部件一侧要承受高温热负荷，另一侧用液氢冷却，两侧温差高达1000℃，使部件内部产生巨大的热应力，传统的单相材料已无法承受这种高温和高温差下的环境。
为使材料能在较大温差下的环境中正常工作，20世纪80年代后期，日本学者新野正之等首先提出功能梯度材料的概念。
为使材料能在较大温差下的环境中正常工作，功能梯度材料通过金属、合金、陶瓷、塑料等无机物和有机物的巧妙组合，在高温环境和两侧高温差的情况下表现出良好的耐热性、热应力缓和，是传统陶瓷基复合材料无法实现的。
很快引起多个国家宇航领域科技工作者的极大关注,功能梯度材料的研究在各国迅速展开,二十多年来,国内外在功能梯度材料的组织结构、性能、制备工艺、设备以及材料的应用方面都取得了令人瞩目的成果。
功能梯度材料制备方法功能梯度材料的制备方法很多，还有些处于探索研究阶段，常用的方法有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、自蔓延高温合成法、气相沉积法等。
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。
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功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGMs）是一种具有逐渐变化成分、微观结构和性能的材料，近年来受到了广泛的研究和应用。
在增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的支持下，功能梯度材料的研究得到了进一步的发展。
本文将对基于增材制造的功能梯度材料及其结构进行综述，并探讨其在材料科学和工程领域的应用。
一、功能梯度材料的定义和特点功能梯度材料是一种具有逐渐变化组分和性能的材料。
在传统材料中，通常需要在组成、结构和性能方面做出权衡。
而功能梯度材料能够通过调控材料的微观结构和成分的渐变，实现性能的逐渐转变。
功能梯度材料不仅能够更好地满足不同应力和功能要求，还能够提高材料的使用寿命和效能。
二、增材制造技术在功能梯度材料中的应用增材制造技术是一种采用逐层堆叠的方式制造物体的技术。
它不同于传统的切削加工，减少了材料的浪费，提高了制造效率。
在功能梯度材料的研究中，增材制造技术可以实现多种材料的渐变和组合，从而制备出具有特定功能和性能的材料。
通过控制增材制造过程中材料的定向和温度变化，能够实现材料硬度、导热性和导电性的逐渐变化，从而获得更加优良的性能。
三、功能梯度材料的结构设计和优化功能梯度材料的结构设计和优化是功能梯度材料研究的核心内容。
结构设计的关键是为材料的不同部分设计不同的成分和性能，以满足特定的功能要求。
优化设计则是通过数值仿真和实验测试，计算和验证不同结构参数的影响，以寻找最佳的结构配置。
通过结构设计和优化，可以更好地控制功能梯度材料的性能和应用。
四、功能梯度材料的应用领域功能梯度材料具有广泛的应用前景。
在航空航天领域，功能梯度材料可以用于制造高温结构件和隔热材料，提高材料的耐高温性能。
在能源领域，功能梯度材料可以用于制造高效能量转换器件，提高能量转换效率。
在生物医学领域，功能梯度材料可以用于制造仿生器官和组织工程支架，实现更好的生物相容性和组织修复效果。
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。
功能梯度材料剪切板屈曲后的自由振动
功能梯度材料剪切板屈曲后的自由振动功能梯度材料（FGM）是一种具有逐渐变化成分和性能的复合材料。
它由两种或多种不同材料按照一定比例混合而成，使得材料的性能在空间上呈现出梯度变化。
这种设计使得FGM具有独特的力学行为，其中之一就是剪切板屈曲后的自由振动。
一、功能梯度材料简介功能梯度材料是一种具有逐渐变化成分和性能的复合材料。
它可以根据需要在不同位置具有不同的力学性能，从而满足特定工程应用的要求。
FGM通常由两种或多种不同材料按照一定比例混合而成，且其成分和性能在空间上呈现出梯度变化。
二、剪切板屈曲剪切板屈曲是指在外加载荷作用下，板材发生弯曲变形。
当外加载荷达到一定程度时，板材会发生屈曲现象。
屈曲后，板材会出现自由振动。
三、功能梯度材料剪切板屈曲后的自由振动功能梯度材料在剪切板屈曲后的自由振动方面具有独特的行为。
由于FGM的成分和性能在空间上呈现出梯度变化，使得材料在屈曲后的自由振动中表现出不同频率和模态。
1. 频率变化：功能梯度材料的频率在空间上呈现出梯度变化。
这是因为不同位置的材料具有不同的刚度和密度，导致自由振动的频率也不同。
这种频率变化可以用来调节材料的声学性能或结构动力学特性。
2. 模态变化：功能梯度材料在剪切板屈曲后的自由振动中还表现出模态变化。
模态是指材料振动时产生的特定形状和振幅分布。
功能梯度材料由于成分和性能在空间上呈现出梯度变化，导致不同位置上存在不同的模态。
这种模态变化可以用来调节材料的结构强度和振动吸收性能。
四、功能梯度材料剪切板屈曲后自由振动应用功能梯度材料剪切板屈曲后自由振动具有广泛应用前景。
以下是几个应用领域的例子：1. 结构材料：功能梯度材料的剪切板屈曲后自由振动可以用于设计和制造具有特定频率和模态的结构材料。
这种材料可以用于建筑结构、航空航天器件等领域，以提高结构的稳定性和振动吸收性能。
2. 振动控制：功能梯度材料剪切板屈曲后自由振动的频率和模态变化可以用来实现振动控制。
功能梯度材料的制备及应用发展
功能梯度材料的制备及应用发展作者：马文静来源：《中国新技术新产品》2015年第07期摘要：本文从功能梯度材料的产生背景、概念、性质、研究进展以及应用范围等方面，对功能梯度材料目前的研究作以简单的概述，并简单预测了功能梯度材料今后的发展趋势。
以促进梯度功能材料更好、更快、更全面的发展。
关键词：功能梯度材料；研究背景；研究进展；应用范围中图分类号：TB33 文献标识码：A1 前言功能梯度材料（ Functionally Gradient Material简称FGM）是一种全新的非均匀复合材料，与一般宏观均质复合材料相比功能梯度材料从金属到陶瓷无论是成分和显微结构在每一处都是有控制地连续变化的，因而功能梯度材料的热力学及热弹性性能均很大程度上优于一般均质复合材料。
一、功能梯度材料产生背景及概念的提出随着当代科学技术领域对材料的要求逐年升高，曾近为主流的单质材料的性能和功能都难以满足超高温、超低温和超高压等特殊的环境条件的设计要求，这时将两种或多种材料向结合从而达到性能和功能均呈连续梯度变化的要求的复合材料—功能梯度材料应运而生。
图1～图3均由两种不同性质的材料构成；其从结构的一个表面到另一个表面组成是按一定规律连续变化的。
如图1所示为两种材料均匀搭配，其性质呈现均匀性，组分均质过渡。
其弹性模量、热膨胀系数、热传导系数值基本稳定。
如图2所示材料的两种组成基体存在明显的异相突变界面，其两侧的物理性质、化学性能具有很大的差距，当料所承受的外界环境通常不均一时，高温度载荷作用下层间易产生应力集中，出现脱层现像。
如图3所示为两种组分在其间的组成以及结构连续呈梯度变化，结构内没有明显的分界界面，这就使得材料的性质以及其物性参数均沿厚度方向也呈梯度变化，从而有效地缓解了热应力，即功能梯度材料。
3 功能梯度材料的研究现状功能梯度材料通常应用于可靠性和安全性都非常重要的领域，如航空航天与核反应堆，因此为了保证其可靠度和安全性，功能梯度材料在热荷载作用下热应力分布规律是一个很值得关注的研究方向。
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
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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。
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。
湖大材料工程基础课件第三章材料固态成形工艺
4、实现高速化、连续化、可控化加工。 5、研究与开发使环境净化，低噪音、小无震动、节省能
源、资源或再利用的加工技术。
湖大材料工程基础课件第三章材料
2021/3/29
固态成形工艺
9
材料科学与工程学院
§1.2 金属的塑性加工成形性
金属的可锻性是表示金属在热状态下经受 压力加工时塑性变形的难易程度。
可锻性的优劣一般常用金属的塑性和变形 抗力两个指标来综合衡量。
湖大材料工程基础课件第三章材料
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固态成形工艺
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材料科学与工程学院
影响可锻性的因素
(1)金属的成分：纯金属好于合金，低碳钢优于高 碳钢，低碳低合金钢优于高碳高合金钢；有害 杂质元素一般使可锻性变坏
金(高铬不锈钢)；Ⅵ—加热时形成
低熔点第2相的合金(含硫的铁、含
锌的镁合金)；Ⅶ—冷却时形成有
塑性第2相的合金(碳钢和低合金钢
、 - 钛合金和 钛合金)；Ⅷ—
冷却时形成脆性第2相的合金(高温
合金、沉淀硬化不锈钢)；Tm —熔
湖大材料工程化基温础课度件。第三章材料固 Nhomakorabea成形工艺
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材料科学与工程学院
2)变形速度：一方面随着变形速度的增加，回复 与再结晶过程来不及进行，不能及时消除加工 硬化现象，故使塑性降低，变形抗力增大，可 锻性变坏。另一方面随着变形速度的增高，产 生热效应，使 金属的塑性升 高，变形抗力 降低，又有利 于改善可锻性。
论，轧制、挤压、拉拔、锻造及板材成形等加工
方法。
湖大材料工程基础课件第三章材料
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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。
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。
功能材料梯功能材料
断口形貌
系均匀复合材料Z0到Z30的拉伸试样断口的SEM形貌。
断口呈现大量的韧窝，陶瓷颗粒分布在韧窝底部，表明其断裂行为受基体连续相NiCr合金的控制，宏观上表现为塑性断裂；随陶瓷含量的增加，韧窝的数量逐渐下降，其尺寸也有所减小，表明NiCr合金基体相在微观上的断裂行为并没有发生变化，仍然存在较大的塑性变形。
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ZrO2-NiCr系均匀断裂韧性试样断口的SEM形貌
(a)Z60
(b)Z70
(c)Z80
Z90
对富陶瓷的复合材料，基体由NiCr合金转变为ZrO2陶瓷，微观断裂机制由韧窝型为主转变为以沿晶型为主，断口较为平整，呈现典型的脆性断裂特征。
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功能梯度材料的应用
航空航天领域 在航空航天领域,日本学者将PSZ/Ti的功能梯度材料应用在火箭推进器燃烧室的内壁上,结果表明,具有功能梯度涂层的热循环寿命明显高于无功能梯度涂层的寿命;功能梯度涂层在航空涡轮发动机叶片上的应用使其具有优良的耐磨性、耐蚀性和耐热性;在燃烧室内衬上的应用提高了其耐磨性。
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人体长骨结构示意图
生物功能梯度材料
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
混杂材料
复合材料
梯度材料
设计思想
分子、原子级水平合金化
组分优点的复合
特殊功能为目标
组织结构
0.1nm-0.1m
0.1m-1m
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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。
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梯度功能材料设计的目 的是为了获得最优化的材 料组成和组成分布。
设计程序
根据热防护梯度功能材料 构件的形状和受热环境，得 出热力学边界条件，以设计 知识库为基础选择可能合成 的材料组合和相应的制造方 法；选择表示组成梯度变 化的分布函数，并以材料物 性数据库为依据进行温度和 热应力的解析计算，几经反 复直至得到使热应力最小的 材料的组成和结构的最佳梯 度分布；将有关设计结果 提交给材料合成部门。
FGM的研究背景 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，并很快引起世界各国 科学家的极大兴趣和关注。 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。 1990年日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。
通过对界面力学性能的梯度控制，可以抑制裂纹 沿着或穿过界面扩展的驱动力； 通过制造连续梯度过渡层，可以方便地在延性基 底上沉积厚的脆性涂层； 通过调整表面层成分中的梯度，可消除表面锐利 压痕根部的奇异场，或改变压痕周围的塑性变形特 征。
第2节 热防护梯度功能材料
一、功能设计
研究背景：早期提出的应用目标主要是用作航天飞机
按反应室内的压力分：常压，低压。 按反应器壁温度分：热壁，冷壁。 按反应激活方式分:
热CVD、PlasmaCVD、激光CVD、超声CVD等。
CVD中的化学反应 热分解式高温分解反应
SiH4(g)→Si+4HCl、Ni(CO)4(g)→Ni(s)+4CO(g) CH3SiCl3(g)→SiC(s)+3HCl(g) 还原反应
一种化学气相生长法，把一种或几种化合物的单质气 体供给基片，利用电阻加热、等离子体、激光、微波 等能源，在基片表面发生气相化学反应生成薄膜。其 优点是可以任意控制薄膜的组成，从而制得许多新型 的膜材，并可以实现薄膜组织的设计；成膜速度快， 每分钟可达几个µm，甚至数百µm。
CVD法制备FGM的原理 将气相化合物在一定的反应条件下生成的固相沉积
1993年美国国家标准技术研究所(NIST)开始了一个 以开发超高温耐氧化保护涂层为目标的大型FGM研 究项目。 最近，通过改变复合两相的配制，在复合材料内部 形成精细的构造梯度。 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。
摩擦升温后梯度材料变化较小，普通材料则变成兰紫色
材料体系 部分稳定Ni-Cr-Al-Y/ZrO2-8Y2O3系FGM ZrO2/NiCr系FGM
2.3 粉末成型法(颗粒梯度排列法)
技术原理
类似于粉末冶金法的一 种烧结方法。分为颗粒 直接填充法和薄膜叠层 法两种。粉末按照预期 的梯度设计成型后，需 进行加压和烧结处理， 以实现致密化，获得合 适的性能。可采用常压烧
的金属Ti或Cr蒸发，通过调节通入金属蒸气中N2 或C2H2的流量，制得了Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN 等梯度材料。用TiCl4、SiCl4和丙烷为原料制备了 TiC/C、SiC/C梯度材料。
CVD法
CVD法的原理 化学气相沉积 CVD(Chemical Vapor Deposit）是
在基体上，通过选择反应温度和气体的压力和流量等 来控制固相组成的连续变化而制成梯度材料。
热应力缓和型SiC/C 梯度材料的CVD合成原料： SiCl4+CH4+H2 其中，H2-载体气体，SiCl4(液态)-Si源，CH4-C源， 发热体-石墨基板0石墨。
CVD过程： 通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定
蒸发源是蒸发装置的关 键，基本要求是熔点要 高、饱和蒸气压低、化 学性质稳定、良好的耐 热性、原料丰富，经济 耐用。
PVD的控制因素： 蒸发速度 蒸发物质的组成 基板温度 反应气体的导入量
常用的蒸发源材料：W、Mo、Ta等。由于Al、 Fe、Ni、Co等易与W、Mo、Ta等形成低熔点合金， 故改用氮化硼导电陶瓷坩埚、氧化锆，氧化钍、 氧化铍、氧化镁、氧化铝、石墨坩埚等。 发热体的形状：电阻蒸发源可作成丝状、箔状、 螺旋状、锥形蓝状等。
二、热防护梯度复合材料的种类和制备方法
1. 材料种类 热防护梯度功能材料主要是陶瓷/金属系梯度
材料。已报道的有TiC/Ni、TiB2/Ni、 ZrO2/Ni、 ZrO2/3Y2O3/Ni，TiC/NiAl，TiC/Ti、TiN/Ti， ZrO2/Mo，ZrO2/W，TiB2/Cu，TiB2/Al等；也有 陶瓷/非金属系(如SiC/C)和合金/非金属系(如 TiAl/MoSi2)系的梯度材料，品种还在不断发展。
SiCl4(g)+2H2(g)→Si(s)+4HCl(g) WF6(g)+3H2(g)→W(s)+6HF(g) 氧化反应
SiH4(g)+O2(g)→SiO2+2H2(g) 水解反应
2AlCl3(g)+3CO2(g)+3H2(g)→Al2O3(s)+6HCl(g)+3CO(g) 复合反应
TiCl4(g)+CH4(g)→TiC(s)+4HCl(g)
涂层材料的微观组织
涂层的形成机制：涂层材料经加热熔化和加速→撞击基体 →冷却凝固→形成涂层。 涂层材料的加热、加速和凝固过程是三个最主要的方面。
涂层的结合强度
最先形成的薄片状颗粒与基体表面凹凸不平处
产生机械咬合，随后依照次序堆叠镶嵌，形成以 机械结合为主的喷涂层；此外基体表面局部瞬时 高温，导致涂层材料与基体之间发生局部扩散和 焊合，形成冶金结合。
结、热压烧结、热等静压 烧结和反应烧结法。
第3章 功能梯度材料
Functionally Gradient Materials
主讲老师 ： 严红革
第1节 基本概念
定义 梯度功能材料(FGM) 是两种或多种材料复 合成结构和组分呈连 续梯度变化的一种新 型复合材料。 主要特征 材料的组分和结构 呈连续梯度变化； 材料的内部没有明 显的界面； 材料的性质也相应 呈连续梯度变化。
金属材料难以满足这种苛刻的使用环境，而金属 表面陶瓷涂层材料或金属与陶瓷复合材料在此高温 环境中使用时，由于两者的热膨胀系数相差较大， 往往在金属和陶瓷的界面处产生较大的热应力，导 致出现剥落或龟裂现象而使材料失效。
设计思路：将金属和 陶瓷组合起来，使其组 分和结构呈连续变化， 可以充分发挥两者优点， 能有效地解决热应力缓 和问题。
PVD-CVD联合法 综合了PVD法和CVD法的优点。CVD法的沉积温
度一般高于PVD法，故在基体的低温侧采用PVD法， 高温侧采用CVD法。日本住友公司把PVD-CVD法用 在 C/C 复 合 材 料 基 体 上 ， 用 PVD 法 在 低 温 侧 沉 积 了 Ti/TiC梯度层，用CVD法在高温侧沉积了C/SiC梯度 层，是一种耐高温、耐氧化性能优良的梯度材料。
气相沉积法的优点是不用烧结，沉积层致密牢固，可连续 变化组成。缺点是设备较复杂，沉积速度慢，不易制备大 尺寸的梯度材料。分子束外延(MBE)、化学束外延(CBE)、 真空蒸发等也可用于气相沉积法。
2.2 等离子喷涂法
原理 用喷枪发射出等离子射流，将陶瓷和金属粉末有控制地 送入等离子射流中，粉末在被加热熔融后进一步加速， 直接喷到基体上，形成梯度膜层。通过连续调节陶瓷与 金属以及其它组分的比例，输入条件及等离子射流的温 度与流速等可以得到所需的组成梯度分布。
我国的一些大专院校和科研院所也在积极进行 FGM的研究。 随着FGM的研究和发展，其应用不再局限于宇航 工业，已扩展到核能源、电子材料、光学工程、化 学工业、生物医学工程等领域。
功能材料的分类
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…
组成变化上分 梯度功能整体性(从一侧到另一侧组成呈梯度变化) 梯度功能涂层型(涂层的组成梯度变化) 梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化)
PVD镀膜器件
优点 设备简单、操作容易； 薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制； 成膜速率快、效率高； 生长机理比较单纯。 存在的不足之处 不易获得结晶态薄膜； 薄膜与基底间附着力较小; 工艺重复性不够好； 每层的膜较薄，不易得到连续梯度薄膜材料。
真空蒸发工艺类型 根据蒸发源(热量提供方式)的不同，分为电阻法、 电子束法、高频感应加热法等。 为了蒸发低蒸汽压的物质，采用电子束或激光束 加热； 为了制造成分复杂或多层复合薄膜，发展了多源 共蒸发或顺序蒸发法； 为了制备化合物薄膜或抑制薄膜成分对原材料的 偏离，出现了发应蒸发法等。
二、热防护梯度复合材料的种类和制备方法 2. 制备方法
2.1 气相沉积法
气相沉积(VD)法可分为物理气相沉积(PVD)法、化学 气相沉积(CVD)法和物理-化学气相沉积(PVD-CVD)法。
PVD法 通过加热等物理方法使源物质(如金属等)蒸发，进
而使蒸气沉积在基体上成膜。
真空蒸镀的原理
蒸发源
机械结合为主的结合机理决定了热喷涂涂层的结
合强度比较差，只相当于其母体材料的5％~30%。 最高也只能率高, 较易制得大面积的块材, 适
合于几何形状复杂的器材表面梯度涂覆和加工。 可在各种基体上制备各种材质的涂层。金属、陶瓷、 金属陶瓷都可用作热喷涂的材料。 基体温度低，基材温度一般在30~200°C之间，因此变 形小，热影响区浅； 喷涂效率高，成本低．喷涂时生产效率为每小时数公 斤到数十公斤。
功能上分 热防护型梯度复合材料 折射率梯度复合材料 …
梯度功能材料与复合材料比较
材料 设计思想 结合方式 微观组织 宏观组织