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。

2.1粉末冶金法

粉末冶金法是将10μm～100μm粒径的粉末(金属、陶瓷)充分混合，按设计的梯度分布方式逐层填充或连续成分控制填充，压实后烧结制备FGM。粉末冶金法具有设备简单、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。现在用粉末冶金法制出的有W-Cu梯度热沉材料、 HA-Ti/Ti/HA-Ti轴对称生物功能梯度材料、B4C/C功能梯度材料等。

2.2等离子喷涂法

等离子喷涂法以刚性非转移等离子弧为热源，将原料粉末以熔融状态喷射到基体表面形成涂层，通过控制喷涂材料的组分，调节等离子射流的温度和流速，在基体表面获得梯度过渡的涂层。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。该方法的优点是可以方便地控制喷涂粉末的成分，沉积效率高，易得到大面积的块材；缺点是得到的材料孔隙度高，层间结合力差，易剥落，强度低。尤其适合于大面积表面热障FGM

涂层。采用该方法已成功制得PSZ/Ni 、NiCrAlY/ZrO2、Cu/W、Ni／Al2O3、WC/Co等梯度涂层。

2.3激光熔覆法

激光熔覆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。该工艺工作快速，但设备成本较高。该方法已应用于航空涡轮发动机叶片、汽车缸体、汽轮机叶片和人体置入件等表面的改善，制备具有生物活性的功能梯度材料将是未来该方法的研究热点。目前，采用此法制备出了Ti/Al、WC/Ni、Al/SiC系功能梯度材料。

2.4自蔓延高温燃烧合成法

自蔓延高温合成法是将构成产物的元素粉末按梯度组成充填，成型后放入反应容器，加热原料粉末局部区域引燃反应，反应放出的大量热量诱发邻近层的化学反应，从而使反应自动持续地蔓延下去，合成所需的材料。该法可用于制备大体积的块材，产物纯度高，能耗少，但只适用于制备放热反应材料体系，且制备出的材料致密性较差，机械强度低，同时自蔓延烧结过程难以控制。目前，采用此法已制备出Al/TiB2、TiB2/Cu、Ni/TiC等梯度材料。

2.5气相沉积法

气相沉积法是将反应物以蒸气的形式反应并沉积在基体材料上，通过改变蒸气的温度和压力，达到调节和控制薄膜的组成和结构，实现制造梯度功能膜材料的方法。气相沉积法包括化学气相沉积法（ＣＶＤ）、物理气相沉积法（ＰＶＣ）和物理化学气相沉积法（ＰＣＶＤ）。气相沉积法主要适合制备薄膜梯度功能材料，并且对设备要求高，合成速率低。采用此法已制备出C/C 、Si/C 、Al/Zr、SiC/C/TiC等梯度材料。

功能梯度材料的应用

功能梯度材料在航空航天、生物医学、机械、电磁、核工程、能源、军事、光电、民用及建筑等领域有广泛的应用。

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。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/陶瓷功能梯度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，可以明显地提高材料的热应力缓和、耐热、耐热冲击、耐腐蚀、耐磨等性能。

3.2光、电、磁工程中的应用

在光、电、磁工程中，梯度材料具有许多优异的性质，在大功能激光棒、复印机透镜、光纤接口的应用使之具有较好的光电效应并起到热应力缓和的作用；在磁盘、永磁体、超导材料电磁屏蔽材料、超生波振荡器上的应用，可减小材料的体积和质量，提高压电、导电及绝缘等性能。

3.3生物工程中的应用

在生物工程中，许多梯度材料被用作制造牙齿、骨骼、关节、器官和仿生工程制品，具有高的比强度和比模量。FGM制造的人造骨骼、人造心脏、人造牙齿、仿生物制品具有极好的生物相容性、柔韧性、耐磨性、耐腐蚀和高的结合强度。FGM人造牙齿，齿根牢固，不易