现代新型材料与纳米材料梯度功能材料
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3
• 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 构件位置不同而不同。
刀具只需刃部坚硬，其它部位需 要具有高强度和韧性；
齿轮轮体必须有好的韧性，表面 必须坚硬和耐磨；
涡轮叶片的主体必须具有高强度 、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，工程应用的许多材 料都属于这个范畴。
•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，
17
• 金属-陶瓷构成的热应力缓和梯度功能材料，对高 温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，低温侧壁使用 导热和强度好的金属材料。
材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，机 械强度逐渐升高。
中国刀
涡轮叶片
4
• 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。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。
• 为减少材料的应力集中，提高材料性能，人们发展了 新型的功能梯度材料(简称FGM) 。
• 日本、美国、德国、俄罗斯、英国、法国、瑞士等许 多国家都开展FGM的研究，其应用已扩展到宇航、能 源、交通、光学、化学、生物医学工程等各领域。
航天工业
化工工业
交通工业
5
梯度功能材料的发展
6
• 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)于一体的新型材料，其微观结构 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。
梯度功能材料制备的耐磨轴承，外表为陶瓷， 内表面为金属
7
• 梯度功能材料早就出现在自然界中。
不锈钢－陶瓷(Si3N4)界面上应力分布 结合强度
(单位：1/10Hale Waihona Puke BaiduMPa) （a）无梯度；（b）有梯度 虚线－压应力区；0－无应力区
19
与突变界面相比，梯度材料可在成分中引入连续的 或逐级的梯度来提高不同固体(如金属和陶瓷)之间 的界面结合强度，抑制应力集中，推迟塑性屈服和 失效的发生；
• 热防护梯度功能材料正是利用其成分和结构的连续 变化来避免热应力集中所造成的界面脱落和开裂， 防止材料的失效。
• 功能梯度材料作为一个规范化正式概念，于1984年 由日本国立宇航实验室提出。
• 航天飞机中，燃烧室内外表面温差达到1000K以上， 普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。
12
• 1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出 使金属/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。
• 功能梯度材料已发展为当前结构材料和功能材料研究领 域中的重要主题之一。
摩擦温升后，梯度材料变化较 小，普通材料则变成兰紫色
14
梯度功能材料的原理及特点
15
• 梯度功能材料由几种性质不同的材料组成，但与 复合材料之间有明显区别。
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
复合材料
• 1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。
热防护梯度
梯度复合管
13
• 1993年，美国国家标准技术研究所开始以开发超高温耐 氧化保护涂层为目标的大型梯度功能材料研究。
• 2019年德国发起一项六年国家协调计划，主要研究功能 梯度材料的制备。
• 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(将预先存在的不同相进行人为组合)。
• 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FGMs是“有智能的”，它们能感受所处环境 的变化(包括局部应力集中)，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。
20
梯度功能材料的制备方法
21
• 梯度功能材料的制备技术和方法，综合了超细、 超微细粉、均质或非均质复合材树等微观结构控 制技术和生产技术。
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
热应力在材料两端均很小，在材料中部过渡区达到峰值 (比突变界面的应力峰值小得多)，
具有缓和热应力的功能。
金属和陶瓷构成的材料特性 (a)无梯度；(b)有梯度
18
比较发现：
• 成分突变会导致应力集中
• 成分逐步过渡，应力集中 大大降低，有梯度时集中 区压应力仅为无梯度时的
1/3-1/4
• 无梯度样品冷却时开裂， 有梯度样品有近400MPa
现代新型材料与纳米材料
New Materials and NanometerMaterials（6）
材料科学与工程学院 刘颖教授主讲
第六讲 梯度功能材料
Gradient Function Materials
2
主要内容
梯度功能材料的发展 梯度功能材料的原理及特点 梯度功能材料的制备 梯度功能材料的应用
竹子
竹节中纤维素含量变化 8
人体长骨结构示意图
9
• 人造梯度功能材料也不是新事物。越王勾践剑深埋地下 2400多年，1965年出土时依旧寒光逼人，锋利无比。
• 剑的主要成分是铜、锡及少量铝、铁、镍、硫。 • 剑的各部位铜和锡的比例不一，形成良好的成分梯度。
剑脊含铜较多，韧性好，不易折断；剑刃含锡高，硬度 大，非常锋利；护手花纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀。
10
• 1900年，美国用明胶作成光 折射率沿径向连续变化的圆 柱棒，称为梯度折射材料。 由于制作工艺没有解决，未 能得到实际应用。
• 1969年，日本板玻璃公司的 北野等人制成梯度折射棒材 和光纤，达到了实用水平， 梯度折射率材料的研究迅速 发展起来。
中国剑
梯度折射玻璃
11
航天飞机飞行时预想的表面温度
梯度材料
材料优点的相互 复合
化学键/物理键
特殊功能为目标
分子间力/化学键/物 理键
界面处非均质
均质/非均质
宏观组织
均质
非均质（连续变化）
功能
一致
梯度化
16
• 梯度功能材料主要通过连续控制材料的微观要素 (包括组成、结构)，使界面的成分和组织呈连续 性变化，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。
• 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 构件位置不同而不同。
刀具只需刃部坚硬，其它部位需 要具有高强度和韧性；
齿轮轮体必须有好的韧性，表面 必须坚硬和耐磨；
涡轮叶片的主体必须具有高强度 、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，工程应用的许多材 料都属于这个范畴。
•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，
17
• 金属-陶瓷构成的热应力缓和梯度功能材料，对高 温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，低温侧壁使用 导热和强度好的金属材料。
材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，机 械强度逐渐升高。
中国刀
涡轮叶片
4
• 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。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。
• 为减少材料的应力集中，提高材料性能，人们发展了 新型的功能梯度材料(简称FGM) 。
• 日本、美国、德国、俄罗斯、英国、法国、瑞士等许 多国家都开展FGM的研究，其应用已扩展到宇航、能 源、交通、光学、化学、生物医学工程等各领域。
航天工业
化工工业
交通工业
5
梯度功能材料的发展
6
• 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)于一体的新型材料，其微观结构 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。
梯度功能材料制备的耐磨轴承，外表为陶瓷， 内表面为金属
7
• 梯度功能材料早就出现在自然界中。
不锈钢－陶瓷(Si3N4)界面上应力分布 结合强度
(单位：1/10Hale Waihona Puke BaiduMPa) （a）无梯度；（b）有梯度 虚线－压应力区；0－无应力区
19
与突变界面相比，梯度材料可在成分中引入连续的 或逐级的梯度来提高不同固体(如金属和陶瓷)之间 的界面结合强度，抑制应力集中，推迟塑性屈服和 失效的发生；
• 热防护梯度功能材料正是利用其成分和结构的连续 变化来避免热应力集中所造成的界面脱落和开裂， 防止材料的失效。
• 功能梯度材料作为一个规范化正式概念，于1984年 由日本国立宇航实验室提出。
• 航天飞机中，燃烧室内外表面温差达到1000K以上， 普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。
12
• 1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出 使金属/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。
• 功能梯度材料已发展为当前结构材料和功能材料研究领 域中的重要主题之一。
摩擦温升后，梯度材料变化较 小，普通材料则变成兰紫色
14
梯度功能材料的原理及特点
15
• 梯度功能材料由几种性质不同的材料组成，但与 复合材料之间有明显区别。
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
复合材料
• 1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。
热防护梯度
梯度复合管
13
• 1993年，美国国家标准技术研究所开始以开发超高温耐 氧化保护涂层为目标的大型梯度功能材料研究。
• 2019年德国发起一项六年国家协调计划，主要研究功能 梯度材料的制备。
• 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(将预先存在的不同相进行人为组合)。
• 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FGMs是“有智能的”，它们能感受所处环境 的变化(包括局部应力集中)，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。
20
梯度功能材料的制备方法
21
• 梯度功能材料的制备技术和方法，综合了超细、 超微细粉、均质或非均质复合材树等微观结构控 制技术和生产技术。
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
热应力在材料两端均很小，在材料中部过渡区达到峰值 (比突变界面的应力峰值小得多)，
具有缓和热应力的功能。
金属和陶瓷构成的材料特性 (a)无梯度；(b)有梯度
18
比较发现：
• 成分突变会导致应力集中
• 成分逐步过渡，应力集中 大大降低，有梯度时集中 区压应力仅为无梯度时的
1/3-1/4
• 无梯度样品冷却时开裂， 有梯度样品有近400MPa
现代新型材料与纳米材料
New Materials and NanometerMaterials（6）
材料科学与工程学院 刘颖教授主讲
第六讲 梯度功能材料
Gradient Function Materials
2
主要内容
梯度功能材料的发展 梯度功能材料的原理及特点 梯度功能材料的制备 梯度功能材料的应用
竹子
竹节中纤维素含量变化 8
人体长骨结构示意图
9
• 人造梯度功能材料也不是新事物。越王勾践剑深埋地下 2400多年，1965年出土时依旧寒光逼人，锋利无比。
• 剑的主要成分是铜、锡及少量铝、铁、镍、硫。 • 剑的各部位铜和锡的比例不一，形成良好的成分梯度。
剑脊含铜较多，韧性好，不易折断；剑刃含锡高，硬度 大，非常锋利；护手花纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀。
10
• 1900年，美国用明胶作成光 折射率沿径向连续变化的圆 柱棒，称为梯度折射材料。 由于制作工艺没有解决，未 能得到实际应用。
• 1969年，日本板玻璃公司的 北野等人制成梯度折射棒材 和光纤，达到了实用水平， 梯度折射率材料的研究迅速 发展起来。
中国剑
梯度折射玻璃
11
航天飞机飞行时预想的表面温度
梯度材料
材料优点的相互 复合
化学键/物理键
特殊功能为目标
分子间力/化学键/物 理键
界面处非均质
均质/非均质
宏观组织
均质
非均质（连续变化）
功能
一致
梯度化
16
• 梯度功能材料主要通过连续控制材料的微观要素 (包括组成、结构)，使界面的成分和组织呈连续 性变化，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。