功能梯度材料(FGM)
功能梯度材料有限宽板反平面断裂问题的理论研究的开题报告
功能梯度材料有限宽板反平面断裂问题的理论研究的开题报告一、研究背景和意义功能梯度材料（FGM）是一种组成材料性质连续变化的材料，具有独特的性能和应用价值。
由于其在横向方向上分层结构的独特性质，FGM在结构设计、机械制造、能源利用、环境保护等领域具有广泛的应用前景。
然而，FGM在应用过程中存在着固有的力学问题，其中最突出的是其在反平面（out-of-plane）载荷作用下的断裂问题。
FGM有限宽板反平面断裂问题研究是FGM研究的一个重要方向，对于提高FGM 的整体力学性能和设计优化具有重要意义。
当前研究主要局限在有限宽板的线性和不稳定断裂问题上，对于非线性和非稳态断裂问题的理论研究较为缺乏。
因此，对于FGM有限宽板反平面断裂问题的理论分析和数值模拟成为了当前的重要研究方向。
二、研究内容和目标本论文主要研究基于等效线性化方法的FGM有限宽板反平面断裂问题的理论解析和数值模拟。
本研究将结合实验数据和数值模拟结果，从宏观和微观层面对FGM有限宽板在反平面载荷下的力学响应进行系统、深化的研究。
研究目标包括：（1）建立FGM有限宽板反平面断裂问题的理论模型和数值模拟模型；（2）基于等效线性化方法和微观力学原理，探究FGM有限宽板在反平面载荷下的力学响应及断裂机理；（3）通过对实验数据和数值模拟结果的比较和分析，验证理论模型和数值模拟的准确性和可靠性；（4）提出针对FGM有限宽板反平面断裂问题的结构设计和优化方案。
三、研究方法和路线本研究将采用以下方法和路线：（1）文献综述：对FGM有限宽板反平面断裂问题的研究历史、现状、存在的问题进行综述，以便建立起研究的基础和框架。
（2）理论模型建立：建立FGM有限宽板反平面断裂问题的理论模型，包括结构设计和材料参数确定。
（3）数值模拟模型建立：通过ABAQUS等有限元软件建立FGM有限宽板反平面断裂问题的数值模拟模型，模拟板材在反平面载荷下的破坏。
（4）等效线性化方法：采用等效线性化方法求解FGM有限宽板反平面断裂问题的线性化解析，分析其断裂机理。
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。
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
报告人：张倩 专 业：动力工程及工程热物理
2015-10-28
目 录
1 2 3 4 概述 梯度折射率材料
热防护梯度功能材料
梯度功能材料的应用
概述
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，是应现代航天航空 工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境下能 反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。 随着梯度功能材料的研究和发展，其应用不再局 限于宇航工业，已经扩展到核能源、电子材料、光 学工程、化学工业和生物医学工程等领域。
概述
梯度功能材料的主要特征：
1.材料的组分和结构呈连续梯度变化 2.材料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
材料组合方式：
1.金属/陶瓷 2.金属/非金属 3.陶瓷/陶瓷 4.陶瓷/非金属 5.非金属/塑料
梯度折射率材料
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 率也相应地持续变化。 无机材料（如：玻璃梯折材料） 梯度折射率材料
热防护梯度功能材料
热防护梯度功能材料的设计
使金属和陶瓷的组分和结构呈连续变化，从而物性 参数也呈连续变化的复合材料。
热防护梯度功能材料
过程：
热力学边界条件
热防护梯度功能材料的设计
选择材料组合体系、制备方法
材料体系物理参数
温度分布模拟和热应力模拟
结果提交材料合成部门
热防护梯度功能材料
热防护梯度功能材料的种类
梯度功能材料的应用
2.作梯度折射光学材料
梯度折射率透镜
大大减小组件总数 和非球面组件总数、 简化结构
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。
功能梯度材料梁和圆板的自由振动及热冲击的开题报告
功能梯度材料梁和圆板的自由振动及热冲击的开题报告一、选题背景功能梯度材料（Functionally Gradient Materials，FGM）作为一种新型的结构材料，具有很高的工程应用价值，在机械、航空航天、能源等领域有着广泛的应用。
其中，功能梯度材料梁和圆板的自由振动及热冲击问题一直是研究热点，因此有必要深入研究其相关问题。
二、研究内容本文将针对功能梯度材料梁和圆板的自由振动及热冲击问题展开研究。
具体研究内容如下：1. 功能梯度材料梁的自由振动特性研究功能梯度材料梁存在复杂的振动特性，本文将采用有限元法对其进行建模，并研究其自由振动频率和模态形式，探究不同梯度材料分布对其振动特性的影响。
2. 功能梯度材料圆板的自由振动特性研究本文将采用有限元法对功能梯度材料圆板进行建模，并研究其自由振动频率和振动模式。
通过对不同梯度材料分布下的振动特性进行研究，揭示功能梯度材料圆板的特殊振动特性。
3. 功能梯度材料梁的热响应分析本文将通过热力学分析，研究功能梯度材料梁的热响应特性。
具体可以采用传热有限元法，计算梯度材料梁在不同温度作用下的温度场分布和应力应变分布。
4. 功能梯度材料圆板的热响应分析本文将通过热力学分析，研究功能梯度材料圆板的热响应特性。
具体可以采用传热有限元法，计算梯度材料圆板在不同温度作用下的温度场分布和应力应变分布。
三、研究意义研究功能梯度材料梁和圆板的自由振动及热冲击问题，对于探究其特殊性能具有重要意义。
一方面，研究可以用于指导实际工程应用；另一方面，研究功能梯度材料梁和圆板的自由振动及热冲击问题，可以拓展功能梯度材料的应用领域，具有广阔的应用前景。
四、研究方法本文将采用有限元法进行研究，具体方法将包括建立有限元模型、计算自由振动频率和振动模态、计算热响应特性等步骤。
五、预期结果经过本文的研究，预期能够得出功能梯度材料梁和圆板的自由振动和热响应特性，并通过不同梯度材料分布对其性能的影响进行分析，为该领域的研究提供参考。
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。
功能梯度材料讲义
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。
等几何功能梯度材料
等几何功能梯度材料
等几何功能梯度材料（Functional Gradient Materials，简称FGM）是指材料的组成和结构从某一方位向另一方位连续地变化，使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型的功能性材料。
根据材料的组合方式，FGM可以分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料。
根据其组成变化，FGM可以分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）。
此外，根据不同的梯度性质变化，FGM可以分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等。
目前，制备等几何功能梯度材料的方法包括自蔓延燃烧合成（SHS）和烧结（SPS）等。
其中，利用类似于SHS电场激活作用的SPS技术，对陶瓷、复合材料和梯度材料的合成和致密化同时进行，可得到65nm的纳米晶，比SHS少了一道致密化工序。
目前SPS制备的尺寸较大的FGM体系是ZrO2(3Y)/不锈钢圆盘，尺寸已达到100mm×17mm。
用普通烧结和热压WC粉末时必须加入添加剂，而SPS使烧结纯WC成为可能。
以上内容仅供参考，建议查阅关于等几何功能梯度材料的资料、文献，或者咨询材料科学专家，以获取更准确的信息。
功能梯度材料
功能梯度材料（Functionally Graded Material，简称FGM）是以计算机辅助设计为基础，采用先进的材料制备技术，使材料的组成，结构沿厚度方向呈梯度变化。
从而使材料的性能也呈梯度变化的一种新型材料。
他是1987年由日本学者平井敏雄等为解决高速航空航天器中材料的热应力缓和问题最早提出的。
航天飞机推进系统的并列喷气燃烧器或再用型火箭燃烧器，由于气体燃烧温度高达2000℃，燃烧室壁所承受的热负荷可达100MW/m2，同时航天飞机中的某些部件一侧受高温热负荷，另一侧用液氢冷却，两侧温差高达1000℃以上，致使材料内部产生巨大的热应力。
因此要求材料具有良好的耐热性、隔热性、长寿命和强韧性等特性。
FGM研究分三个部分；材料设计、材料制备、材料性能评价。
图示出了FGM的开发流程，采用逆向设计法，根据组元物性，利用有限元计算程序对FGM优化设计，然后根据设计结果，制备FGM，最后由材料性能评价试验对材料设计和制备进行评价。
功能梯度材料是一种多相材料，其材料宏观特性在空间位置上呈现梯度变化，消除了材料的物理性能突变现象，较好地避免或降低应力集中，达到优化结构整体使用性能的目的。
功能梯度材料在航空航天、电子器件、人造脏器、汽车发动机等诸多方面都有广泛的应用功能梯度材料并不是什么新材料。
古人很早就根据这种思路来炼铁，在日本出土的一把剑刃上，我们可以看到剑锋、刃部和主体的颜色是不同的，这说明它们的成分也是不同的。
大自然早就把这个概念引入生物组织中了，例如，动物的骨头就是一种梯度结构，外部坚韧，内部疏松多孔。
厨房使用的一把菜刀刀刃部需要硬度高的材料，而其他部位的材料则应该具有高强度和韧性功能梯度材料的应用领域是非常广泛的，由于它具有较高的机械强度，抗热冲击，耐高温等性能等特点，在航空航天，电子器件，人造脏器、汽车发动机、制动器、化工部件等诸多方面都有广泛的应用。
在通信领域里，功能梯度材料可以制造多模光纤，这种光导纤维的光学折射率从轴心至外层是逐渐变小的，而且能够在其他领域中作为极端条件下使用的材料。
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。
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。
功能梯度材料结构的非线性力学行为的开题报告
功能梯度材料结构的非线性力学行为的开题报告一、研究背景:功能梯度材料 (FGM) 是一种具有由基材料和衬底材料组成的渐变结构的材料。
FGM的材料性质（例如，弹性模量，屈服强度等）随材料深度的改变而发生变化。
在尺寸较小的结构中，例如梁、板、壳等，FGM材料经常被使用。
由于FGM材料的复杂性和多变性，其力学行为的研究一直备受关注。
FGM材料的非线性力学行为是其中一种关键的研究内容，包括屈曲、塑性变形和破坏等。
二、研究目的:本文的目的是研究FGM材料结构的非线性力学行为，具体包括其屈曲，塑性变形和破坏等方面的研究。
通过对其力学行为的研究，可以更好地理解FGM结构的力学性质，并为其材料设计和实际应用提供依据。
三、研究方法:本文将采用以下研究方法：1. 理论分析方法：包括分析FGM材料在非线性载荷下的弹性和塑性响应的理论模型，以及使用常用数值方法解决材料行为的数学和物理方程。
2. 数值仿真方法：使用基于有限元方法的数值仿真软件对FGM材料的非线性力学行为进行仿真分析。
3. 实验研究方法：对FGM材料的非线性力学行为进行实验研究，对仿真结果进行验证，从而对FGM的非线性力学行为进行深入了解。
四、预期结果:本文的预期结果包括：1. 提供FGM材料非线性力学行为的理论模型和数值仿真方法。
2. 分析FGM结构的屈曲、塑性变形和破坏等非线性力学行为。
3. 实验研究验证仿真结果，对FGM材料的非线性力学行为进行深入了解。
4. 为FGM材料的设计和应用提供理论支持和实验基础。
综上所述，本文的研究会对FGM材料的非线性力学行为进行深入研究，探索其独特的力学性质，为其材料设计和实际应用提供理论和实践的指导。
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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
相互作用积分 - J积分
相互作用积分源 于J积分。 J积分：关于裂 纹尖端的一个围 道积分。 弹性、均匀材料 中J积分与路径 无关。
Real properties approached by exponential functions
应力强度因子（SIFs）随材料模量的变化
the normalized SIFs are greater when the crack tip lies in the comparatively stiffer location
不同类型真实模量与PE模型近似模量的比较
10 9 8
E(x)/E0
original real property approximated property EM/E0=10
7 6 5 4 3 2 1 0.0 0.2 0.4 x/h 0.6 0.8 1.0 g=1/2 g=1 g=2 exponential
表面
内部 横断 面
PSZ/IN100-FGM
PSZ/Inco 718-FGM
度热 材冲 料击 中载 的荷 典作 型用 破下 坏功 模能 式梯
以上图片选自 A. Kawasaki and R. Watanabe. Thermal fracture behavior of metal/ceramic functionally graded materials. Engineering Fracture Mechanics. 2002, 69: 1713-1728
具有一般属性的功能梯度材料 （非均匀材料）断裂力学模型
果立成
哈尔滨工业大学航天科学与力学系
内容
一． 功能梯度材料的应用与研究背景
二． 一般属性功能梯度材料的断裂力学解析模型
三． 一般属性功能梯度材料的断裂力学数值模拟 模型
一． 功能梯度材料的应用与研究背景
二． 一般属性功能梯度材料的断裂力学解析模型
（叠加原理）
ui uiaux ( K I K Iaux )r 2 giI ( , , ) ( K I K Iaux )r 2 giI ( , , )
1 1
1 aux aux aux I [ ( jk aux ) ( u jk jk jk 1i ij j ,1 ij u j ,1 )]ni d 2 2 aux * ( K I K Iaux K II K II ) E
J积分[Rice, 1968]
J (W 1 j ij ui ,1 )n j d
G J 弹性、均匀材料
G lim J
0
非均匀材料
1
2
图1
相互作用积分
相互作用积分I：它是两种受力状态（实际受力场 和辅助场）的相互影响部分。 aux aux 辅助场： u , u , 真实场： i ij i ij
PE model——分段指数模型
h1
a ... Material’s Property
hM h
b
Crack ... Real property Approximated property
x
Schematic of the approximated material’s property in the PE Model
以上图片取自: Y.Miyamoto et al. (eds.). Functionally graded materials. Design, Processing and Applications. Kluwer Academic Publishers, 1999
功能梯度材料断裂
断裂是功能梯度材料的 一种主要破坏方式。
三． 一般属性功能梯度材料的断裂力学数值模拟 模型
一、功能梯度材料的应用与研究背景
功能梯度材料 (FGM):组份与微结构非均匀空间变化， 其力学性能和功能沿某一方向成梯度变化。
FGM was proposed in around 1984: A spaceplane's outer body (about 1700 deg), Rocket engine
一． 功能梯度材料的应用与研究背景
二．一般属性功能梯度材料的断裂力学解析模 型
三． 一般属性功能梯度材料的断裂力学数值模拟模 型
任意属性功能梯度材料的断裂力学解析模型 的研究
对于功能梯度材料的理论研究，对真 实材料建立相对简化模型是必要的。多年 来科研工作者对任意属性功能梯度材料建 立了一系列的解析模型。其中PE模型是其 中行之有效的方法之一。