梯度功能材料发展现状及趋势论文

梯度功能材料发展现状及趋势

[摘要] 综述了梯度功能材料的发展历程及各国研究应用现状，并展望了梯度功能材料的发展前景和趋势。

[关键词] 梯度；涂层；制备技术；研究

梯度功能材料（fgm）的功能指机械、热、电、光、核、化学或生物等方面的功能。它的设计思路是：材料的成分沿厚度方向由一侧向另一侧连续变化，使材料性能也连续变化，以减小和克服结合部位性能不匹配的因素。根据该原理制备的梯度功能材料，从基体到表面的组分和性能都是呈无界面连续渐变的，涂层与基体具有最佳性能匹配，层间结合力较高，在高温或温差变化大的环境下，不会产生突变的热应力，可有效防止涂层剥落。

目前fgm材料研究还处于基础性研究阶段，主要集中在材料设计、制备和材料性能评价三方面。梯度功能材料的设计一般采用逆设计系统，即根据使用条件对材料的组成和结构梯度分布进行设计。梯度功能材料的制备过程需严格控制浓度、流量、温度及应力等参数，因此工艺相当复杂。在梯度功能材料制备研究方面，目前应用的主要制备技术有粉末冶金法、气相沉积法、自蔓延高温合成、热喷涂和铸造法等。由于梯度功能材料是一种全新的材料，其性能沿某一方向连续变化及功能的多样性，使现有的材料评价的基本原理、测试手段对其不再适用。梯度功能材料性能评价的目的主要是为进一步优化成分设计，为成分设计数据子库提供实验数据。目前，梯度功能材料性能评价有定量化试验、热冲击试验、机械强度试验

和热疲劳试验等，但评价技术水平还停留在梯度功能材料的物性值实验测定等基础性工作上。

日本在梯度功能材料方面的研究起步较早，日本科技厅于1987年就批准了一个为期五年的关于fgm的研究项目——热应力缓和型梯度功能材料开发基础研究，解决了航天飞机中受2000 k和1000 k 温差的机体和发动机耐热部件的材料问题。日本在梯度功能材料领域发展速度很快，只用了20年左右的时间就迅速在世界梯度功能材料的生产和应用研究领域占据了非常重要的地位。目前，据不完全统计，日本至少有四十家左右的公司都在进行梯度功能材料的开发与研究。

美国把梯度功能材料作为国防部的关键技术核心来实施，投入了大量的资金和人力，并在梯度功能材料领域取得了重大进展，处于世界领先地位。美国已经大量在航天、航空工业中应用梯度功能材料，例如美国nasa将梯度功能热障涂层用于涡轮叶片，取得具有里程碑意义的成果。实验表明，涂层表面热传导率降低50%，采用热障涂层使燃气涡轮发动机的t4温度有显著提高，降低了基体金属的温度，延长了零件寿命，减少了废品率，为未来低排放co2高效发动机的研制铺平了道路。

由瑞士、乌克兰、芬兰和英国组成的欧洲联合体也在进行fgm 的研究。德国以达姆施塔特工业大学的rodel教授为核心，在全国大学和国立研究所开展了45个课题的研究工作。

我国梯度功能材料研究起步时间与日本相差不多，近几年许多

科研院所和大专院校都在研究和试验方面取得了一定的进展。中南大学、哈尔滨工业大学、武汉工业大学、北京科技大学等一些高等院校和科技机构已在积极开展研究，国家也已将fgm的研究与开发列入了国家高技术“863”计划，给予大力资助。但我国的整体研究水平与实用化程度与美、日相比差距甚远，主要是制备工艺复杂、成本高，大多停留在试验研究阶段，实际应用甚少。

由于梯度功能材料具有低热胀系数、高耐热性、在动力结构方面的高比强度、高比模量、耐磨损和抗老化等优点，倍受人们青睐，未来在汽车、航空航天、机械制造、石油等领域均可得到广泛应用。下表显示了梯度功能材料在这些领域中可望得到或已研制成功的

部分实例。

由于梯度功能材料的广阔前景，自20世纪80年代提出以来便受到了世界各国的极大关注，成为当今材料科学前沿课题，得到了快速发展，制备技术有了很大的提高。但目前的研究基本处于基础性研究阶段，且主要集中于材料设计、制备和材料性能评价三方面，今后主要的研究发展趋势包含以下几个方面：（1）探索对梯度功能材料性能评价的新方法，改进已有的性能评价方法，提高评价的准确度；（2）重视工程和产业化方面的研究，探索新的更加简单易行的制备方法，适合推广到工业生产，使其向产业化方向发展；（3）开发大尺寸和复杂形状的梯度功能材料的制备技术。

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