梯度复合材料简单介绍
梯度材料的应用原理
梯度材料的应用原理1. 梯度材料的概述梯度材料是指具有不同性质或组成的材料在结构上实现逐渐变化的材料。
梯度材料的特点是可以在一个组件中实现多种功能和性能的要求，提高材料的性能和效率。
2. 梯度材料的分类2.1. 组成梯度材料组成梯度材料是指材料的组成成分在空间上逐渐变化的材料。
通过调整材料的成分，可以实现在不同位置上具有不同化学性质的材料。
2.2. 结构梯度材料结构梯度材料是指材料的结构在空间上逐渐变化的材料。
通过调整材料的结构，可以实现在不同位置上具有不同物理性质的材料。
2.3. 性能梯度材料性能梯度材料是指材料的性能在空间上逐渐变化的材料。
通过调整材料的性能，可以实现在不同位置上具有不同性能的材料。
3. 梯度材料的应用3.1. 机械领域的应用•梯度材料在汽车制造中可以应用在车身结构上，通过调整材料的强度梯度，可以使车身在不同区域具有不同的刚度和韧性，提高整体的抗撞击性能。
•梯度材料在航空航天领域中可以应用在飞机机翼结构上，通过调整材料的密度梯度，可以实现机翼不同部位的飞行性能的优化，提高飞机的升力和降阻性能。
3.2. 能源领域的应用•梯度材料可以应用在太阳能电池板上，通过调整材料的能带梯度，可以使光电转换效率在不同波段上有所提高，扩展光谱响应范围，提高太阳能电池的发电性能。
•梯度材料可以应用在燃料电池中，通过调整材料的电导率梯度，可以使燃料电池在不同温度下具有更好的导电性能，提高电池的能量转换效率。
3.3. 医疗领域的应用•梯度材料可以应用在人工骨骼或关节的制造中，通过调整材料的生物相容性梯度，可以与人体组织更好地结合，提高人工骨骼或关节的适用性和耐久性。
•梯度材料可以应用在药物释放系统中，通过调整材料的溶解速度梯度，可以实现药物在不同时间段内的持续释放，提高药物的疗效。
4. 梯度材料的制备方法4.1. 梯度共沉淀法梯度共沉淀法是通过控制不同成分溶液的混合比例和混合速度，使其在沉淀过程中形成梯度材料。
梯度功能材料
(1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术； (2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术； (3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技 术）； (4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、 磁特性。
谢谢
• 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。
梯度化
梯度功能材料能有效地克服传统复合材料的不足。与传统复合材 料相FGM有如下优势：
1）将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料，可以大大地提高粘结强度；
2）将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力；
3）将FGM用作涂层和界面层可消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力 奇异性；
4）用FGM代替传统的均匀材料涂层，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
梯度功能材料
梯度功能材料简介
目 录
分类及与复合材料的区别 应用领域 未来的发展趋势
引言
梯度功能材料是上世纪八十年代中期开发可往返于太空与陆
地的航天飞机外部用耐热材料而提出的一个崭新的材料概念。 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,这就诞生了梯度功材料。
发展
• 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。 • 1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。
精细梯度构型化金属基复合材料制备基础与强韧机理
精细梯度构型化金属基复合材料制备基础与强韧机理引言精细梯度构型化金属基复合材料是一类具有优异性能的材料，在航空航天、汽车、电子等领域有着广泛的应用。
其制备基础和强韧机理是研究的热点之一。
本文将从多个角度对这一主题展开深入探讨，并结合个人观点加以分析。
一、精细梯度构型化金属基复合材料制备基础1.精细梯度构型化金属基复合材料的定义与特点精细梯度构型化金属基复合材料是一种由不同组分金属或金属间化合物组成的多层结构材料，其特点在于材料的成分、结构和性能在微观尺度上呈现出梯度变化。
2.制备方法及工艺常见的制备方法有堆叠压制法、激光表面合金化法、电化学沉积法等，这些方法都需要通过精密的工艺控制，在材料表面或内部形成梯度结构。
3.材料选择与设计在制备过程中需要选择合适的金属或金属间化合物作为基础材料，并根据应用需求设计出合理的梯度结构。
4.制备过程中的关键技术及挑战确保不同组分材料的界面结合质量、精确控制梯度结构的形成等都是制备过程中的关键技术和挑战。
二、精细梯度构型化金属基复合材料的强韧机理1.界面强化精细梯度构型化金属基复合材料的界面是其性能的关键影响因素，通过强化界面的结合力，可以有效提升材料的强度和韧性。
2.孪生结构梯度结构的金属基复合材料中常常形成孪生晶体结构，这种结构对材料的强韧性有着重要作用。
3.残余应力由于梯度结构的成分和性质存在变化，制备过程中会形成残余应力，这些应力对材料的性能具有显著影响。
4.变形机制在外力作用下，精细梯度构型化金属基复合材料的变形机制也是影响其强韧性的重要因素。
结论精细梯度构型化金属基复合材料的制备基础和强韧机理是一个复杂而又具有挑战性的研究领域。
通过对其制备方法、材料设计、强韧机理等方面的深入研究，可以更好地理解和把握这一材料的特性与应用。
在未来的研究中，需要更多地关注关键技术和挑战，不断推动这一领域的发展和创新。
个人观点作为一个专业的文章写手，我在撰写文章的过程中对精细梯度构型化金属基复合材料有了更深入的了解。
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。
梯度复合材料简单介绍
功能梯度材料
——发展方向
（２）制备工艺方面 常规的制备方法一般只能制造尺寸小、形 状简单的ＦＧＭ。开发和应用新的制备技 术，如仿生法、微波合成与烧结法、分子 自组装法、无压浸渗法、超分子复合法、 快速成型法、形变与马氏体相变法等，深 入研究电、磁、光、高能射线等对工艺的 影响，为梯度材料的制备提供更广阔的途 径。
粉末冶金法
通过粉末混合烧结形 成的FGM结构示意图
粉末冶金 法按其成 型工艺可 分为
直接填 充法
喷射积 层法
薄膜叠 层法
离心积 层法
粉浆浇 注法
功能梯度材料
——制备工艺
1.直接填充法
混合粉体经造粒、调整流动性后直接按所需 成分在压模内逐层充填，并压制成型。 此法虽工艺简便，但其成分分布只能是 阶梯式的。
功能梯度材料
Functionally Graded Materials
小组成员： 杨马 周马
功能梯度材料 有志者，事竟成，破釜沉舟， 百二秦关终属楚； 苦心人，天不负，卧薪尝胆， 三千越甲可吞吴。 说的是越王勾践，他有一把剑
功能梯度材料
人造梯度功能材料并不是新事物。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。1977年12月，复旦大学与中科院等对剑进行了无 损检测。发现其主要成分是铜、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。
梯度功能材料技术介绍
THANKS
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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。
梯度复合材料的制备和应用
（ＳｈａａｎｘｉＴｏｎｇｌｉＳｐｅｃｉａｌＰｕｒｐｏｓｅＶｅｈｉｃｌｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂａｏｊｉ７２１００８，ＳｈａａｎｘｉＣｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｇｒａｄｉｅｎｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｍａｔｅｒｉａｌ，ａｎｄｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｔｈｅ１９８０ｓ．Ｔｈｅｒｅａｒｅ
缺点是增强相与基体之间浸润性不良，界面易反应
粉末冶金法是将金属和陶瓷等粉末按一定梯度 生成脆性相，仅限于管状和环状零件，尤其是亚微米
分布直接填充到模具中加压烧结，或将不同组分的 粉末压制成薄片后再进行叠层烧结。在烧结时应注
和纳米级增强体极难复合，影响其性能。 宋义刚等人 利 ［２４］ 用离心反应熔铸工艺制备了
根据材料的组织结构和使用性能要求，业已发 展了多种制备梯度复合材料的方法，有相分布控制 和粒子排列两大类。通常，需根据梯度复合材料的 成分、形状及尺寸要求选用制备工艺。最常用的制 备工艺有喷涂法、物理或化学气相沉积法、粉末堆积 法、自蔓延烧结法、离心铸造法和 ３Ｄ打印法等［１１］。
本文介绍了梯度复合材料的制备工艺，分析了不同 制备工艺的优缺点，介绍了国内外的研究成果，提出 了未来的发展方向。
１ 梯度复合材料的制备工艺
１．１ 喷涂法 喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺，主要用于
制备形状复杂的零部件。通常，将陶瓷和金属粉末 分别通过不同的管道用惰性气体输送至等离子喷 枪，在融熔状态下将其喷涂在基体材料上，形成梯度 复合材料涂层。
喷涂法的优点是能改变粉末的组分，沉积效果 好，无需烧结，不受基体面积大小的限制，涂层界面 结合强度、抗热冲击和热疲劳性能良好。缺点是梯 度涂层与基体间的结合强度不高且组织不均匀，有 孔洞和疏松等缺陷，且表面较粗糙。
梯度复合材料
课程论文学院：化学与材料科学学院专业：材料化学梯度复合材料摘要：梯度复合材料，是一种结构组成沿厚度方向阶梯性变化的材料，导致材料的不同部位具有不同的使用性能，以便于更加适合材料的工作环境，是一种新型的复合材料。
梯度复合材料结构和性能的可控性使其广泛应用于航空航天、计算机线路板、装甲以及光学仪器等领域，因此对梯度复合材料的研究日益重要。
本文将详细介绍梯度复合材料的现状、性能、制备及其应用与发展等方面。
关键词：梯度复合材料；性能可变性；制备；应用正文：1、梯度复合材料的研究背景1.1梯度复合材料的由来早在大自然中，就出现了很多典型的梯度复合材料，比如岩石、竹子和人类与动物的骨骼，只不过相对于这些植物，人类的骨骼是一种“智能”梯度复合材料，他们能根据环境的变化产生相应的结构性能变化，而竹子或人造梯度复合材料是不同的部位有不同的结构，能承受的应力不同，性能也不尽相同，缺乏智能性。
上个世纪，随着航空航天的发展，人们对材料的要求也越来越高，而材料的隔热成为了航空航天材料最大的问题。
特殊的服役环境使一般的材料面临着高温和较大的温度梯度的挑战。
针对这个问题，日本科学家新野正等人在1987年首次提出“功能梯度复合材料”的概念，即functionally graded materials简称FGM。
1.2梯度复合材料的介绍梯度复合材料的定义为：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材料。
与普通材料不同，它是选用两种（或多种）性能不同的材料，通过连续地改变这两种（或多种）材料的组成和结构，来使材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能复合材料。
正因为它的性能可控性、可设计性和可变性，使得梯度复合材料具有巨大的应用前景。
下图即为材料的示意图，他可以连接两种不相容的材料，提高粘结强度，消除不同材料之间的残余应力和裂纹驱动力，消除不同材料的交叉点，并使得功能和性能因为内部位置不同而不同，从而使性能实现梯度变化。
梯度功能材料
Morphology of Cu-50 vol.% Ti2SnC after reacted at 950º C for 1 hour.
Bright field image of interface between Ti2SnC and TiCx.
Selected area diffraction patterns from the Ti2SnC/TiCx interface with the electron beam paralleling to the [011] zone axis of TiCx and [010] zone axis of Ti2SnC.
化学气相沉积法(CVD)
• CVD法制备FGM是通过赋予原料气体不 同的能量，在反应器中进行混合，使其 产生化学反应，并在基板上析出非挥发 性产物。CVD法的优点在于:容易实现分 散相浓度的连续变化。国内外利用CVD 法己制备出厚度为0. 4-2. Omm的 C/C,SiC/C, TiC/C系的FGM .
Yield strength of Ti2SnC DS copper
400
Yield Strength (MPa)
350 300 250 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5
Ti2SnC Content (vol.%)
Cu-TiC Cu-WC Cu-Ti3SiC2
Cu-Al2O3
Cu-TiB2
1.3梯度功能材料的研究现状
• 日本经过5年的努力，成功地开发出缓和热应 力型的FGM材料，该成果已用于日本HOPE卫 星用的小推力火箭引擎和热遮蔽材料上。接着 日本在1990-1992年之间继续开展了陶瓷/金属 体系的FGM研究，“超耐环境性先进材料” 研究，建筑材料本质系FGM的开发研究，生 物相容性以及工具材料梯度化等方面的研究。 1993年日本著名学者新野正之，西田熏夫的倡 导下，掀开梯度材料研究的第二次浪潮。
聚氨酯梯度材料
梯度 材料
聚氨酯/环氧树脂梯度材料
分析测试
扫描电镜观察形态,采用自动材料性能测试ห้องสมุดไป่ตู้测试弯曲 行为、拉伸和冲击性能。
结果与讨论
1 微观形貌
a b
由图1可以看出,沿梯度方向,
不同的梯度单层具有不同的 微观形貌。
c
d
聚氨酯/环氧树脂梯度材料
2 弯曲性能
曲线1到曲线4分别为从中心层到 表面层各梯度单层的弯曲性能曲 线,由图2可以看出,越接近样品 表面,梯度单层越易于弯曲变形, 其挠度越大,弯曲模量越低。
料的一种方法, 梯度形态可以通过电化学还原反应形成, 也可以通过梯度组分的物理迁移形成, 主要借助溶剂挥发、 电解和聚合反应进行梯度形态的固定。 李治选用丙烯酸作为聚电解质与聚乙烯醇在水溶液中共混 先使丙烯酸分解为负离子，在电场条件下，使其移动形成 浓度梯度，制备得到丙烯酸呈现梯度分布的梯度复合材料。
聚合物梯度材料制备方法
溶解和扩散法
该制备方法是通过将聚合物A的溶液加入到聚合物B膜
表面,使聚合物B 发生溶解,两种聚合物之间开始相互 扩散,通过控制溶剂种类、温度、聚合物A溶液的用量 等因素,获得具有梯度组成和结构的薄膜。
聚合物梯度材料制备方法
相转变法和温度梯度法
通过控制共混物的相形态结构也可以用来制备聚合物
多元酸 (—COOH )
1 添加固化剂
多元醇 (—OH ) 酸酐等
2 Lewis酸碱催化剂（叔胺、咪唑、BF3等）
R3 N
+
CH2
CH O
CH2 CH2 CH O CH2 CH2 CH O CH2 CH2 CH O CH2
图2 叔胺催化固化环氧树脂举例
梯度功能材料浅谈材料
梯度功能材料浅谈姓名：学号：专业：2012.6.9梯度功能材料摘要: 主要介绍梯度功能材料的概念和特性，着重介绍梯度功能材料的制备方法，并重点介绍梯度功能材料现阶段的应用及发展趋势，对其前景的展望。
关键词：梯度材料；制备方法；应用前景前言：梯度功能复合材料是为了适应新材料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的一种新型复合材料。
功梯度功能材料由于本身具有优异的性能以及它所体现出的新颖的材料设计思想，所以一经提出，立即引起世界各国材料科学工作者的高度重视，并对其展开了深入研究。
特别是随着现在航天、航空等事业的高速发展，对其的迫切需求使梯度功能材料变的越来越重要和流行。
正文:1.梯度功能材料的概念梯度功能材料诞生的社会背景与开发航天飞机机体表面防热系统相关连。
日本宇宙科学和材料科学工作者提出了一个还听不惯的新奇材料概念，叫做“梯度功能材料”，对此，被核准用科学技术振兴调整费进行调查研究已有三年。
调查研究有了结果，执昭和62年开始三年间，用上述经费成立了“为缓和热应力的梯度功能材料开发基础技术研究组织。
进而在1988年2月把梯度功能从单纯的机械功能扩展为电气、化学、光学、原子核和生物等领域，成立了广阔范围内进行梯度功能材料研究开发的产业界。
政府和学术界的联台组织一‘梯度功能材料研究会，正在稳步而顺利地推出新的研究成果。
追溯历史，1986年2月，里根总统在新年咨文中发表了东京～华盛顿间只需两小时的特超音速客机。
New orient Express 开发计划。
在欧州也发表了各种计划，如英国的载人航天飞机“HOTOL ，法国的 oN． z”和西德的 SANGER”等，部分开发研究正在进行着。
日本在1987年6月公开发表了宇宙开发委员会长期政策恳谈会报告书中谈到：“到21世纪初，日本应成为世界宇宙开发中心的一翼”，以此为背景科学技术厅航空宇宙研究所在1988年7月召开的“宇宙往返输送技术讲演会”上发表了具有挑战性的宇宙往返和特超音速客机两用的航天飞机开发计划。
《梯度复合材料》课件
电子封装材料
梯度复合材料用于电子设 备的封装，具有良好的绝 缘、导热和耐腐蚀等性能 。
电路板基材
梯度复合材料用作电路板 基材，具有良好的导电、 导热和机械性能。
微波介质陶瓷
梯度复合材料用作制造微 波介质陶瓷的材料，具有 高介电常数、低损耗和高 稳定性等优点。
在生物医疗领域的应用
医疗器械
梯度复合材料用于制造医疗器械，如 人工关节、牙科植入物和血管支架等 ，具有良好的生物相容性和耐腐蚀性 。
轻量化梯度复合材料的研发
针对航空航天、汽车等领域的轻量化需求，研发具有轻质、高强度 的梯度复合材料。
多功能梯度复合材料的研发
开发具有导电、导热、磁性、光学等功能的新型梯度复合材料，拓 展其在传感器、电子器件等领域的应用。
应用领域的拓展与深化
航空航天领域
利用梯度复合材料的优异性能，提高飞 行器的结构强度、减轻重量、提高燃油
效率等。
生物医疗领域
用于制造医疗器械、人工关节、牙科 材料等，提高医疗设备的耐用性和人
体相容性。
汽车工业领域
应用于汽车车身、底盘、发动机等部 件，提高汽车的轻量化、安全性、舒 适性和节能性。
新能源领域
应用于太阳能电池板、风力发电机叶 片等，提高设备的稳定性和效率。
制备技术的创新与改进
先进的制备工艺
梯度复合材料的耐磨性优于传统单一材料 ，能够抵抗摩擦和磨损，延长使用寿命。
热性能
良好的热稳定性
梯度复合材料能够承受较大的温度变 化而不影响其性能，具有较好的热稳 定性。
优良的隔热性能
梯度复合材料能够有效地阻隔热量传 递，降低热损失，提高设备的热效率 。
良好的导热性
某些梯度复合材料具有优良的导热性 能，能够快速地散发热量，保持设备 温度稳定。
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5.粉浆浇注法
将原料粉均匀混合成浆料，通过连续控制粉 浆配比，注入模型内部，可得到成分连续变化的 试件，经干燥在热压烧结成FGM
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，高速冲撞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。
功能梯度材料
——发展方向
（３）计算机模拟方面 根据材料实际的服役环境，使用计算机寻 找合适的梯度材料体系并根据制备工艺选 择合适的成分梯度，为新材料的研制提供 理论依据；同时使用数值模拟软件对已经 存在的梯度材料体系进行优化，包括影响 材料整体性能的成分分布、应力分布等。
梯度功能材料的应用
• 航天飞机在往返大气层的过程中，机头前端和机翼 前沿服役温度约 2000K ，冷表面的温度低于 1000K 。
——发展方向
（１）性能评价方面
目前ＦＧＭ的性能大多建立在与普通材 料（如机体材料）对比的基础上，因此选 择适合ＦＧＭ的检测手段和建立统一的评 价体系显得尤为重要。性能评价主要包括： ①热性能评价，包括热应力缓和特性评价、 热疲劳特性评价、隔热性能评价、热冲击 性能评价。②其它性能评价，如ＦＧＭ的 耐磨、耐腐蚀、电磁、耐辐射等性能的评 价方法也值得研究和探索。
生物医学工业
• 人造牙的齿根外表采用耐磨 性优良的 HA 陶瓷，内部采用 可 承 受 较 大 变 形 的 钛 或 Ti6Al-4V合金。
梯度功能材料制成的人造牙
• 梯度功能材料是一种设计思想新颖、性能优良的 新材料，将 FGM 结构和 FGM 化技术与智能材料 系统有机地结合起来，将会给材料科学带来一场 新的革命。 • 梯度功能材料被认为是 21世纪材料科学的一个重 要发展方向。
自蔓延合成材料
功能梯度材料
——发展方向
（１）性能评价方面
对于常规的工程材料，在性能测定上一般 认为是均匀材质，只有在特殊要求下才考 虑材料的各向异性；对于ＦＧＭ，它的组 成和性能是呈梯度变化的，用常规的测试 方法失去了实际意义，而国内外也没有建 立统一的标准，它已成为制约ＦＧＭ发展 的因素之一。
功能梯度材料
2.喷射积层法
原料粉体各自加入分散剂搅拌成悬浮液，混 合均匀后，一边搅拌混合，一边用压缩空气喷射 到预热的基板上，通过计算机控制粉末浆的流速 及X-Y平台的移动方式，即可得到成分连续变化的 沉积层。喷射沉积层经干燥后冷压成型，在热压 烧结即得到FGM。 该工艺的最大特点是：可连续改变粉末积 层的组成，控制精度高，是很有发展前途 的梯度基层法。
将原料粉末体快速混合后送入高速离心机中， 粉末在离心力作用下紧密沉积于离心机内壁，改 变混合比可获得连续成分梯度分布，经过注蜡处 理后，离心沉积具有一定生坯强度，可经受切割、 冷压等后续成型加工，最后再烧结处理即可。该 工艺沉积速度极快，目前实验室规模下，沉积直 径15mm、高5mm、壁厚5～10mm的FGM圆环仅需5min。
——概念
微观组织 宏观组织
均质/非均质 均质
非均质 均质
功能
一致
一致
梯度化
• 将金属、陶瓷等粉末按一定 梯度分布直接填充到模具中 加压烧结；也可将不同组分 粉末压成薄膜/片后进行叠层 烧结。 • 控制各组分混合比，使压后 的粉坯梯度层间任一组分浓 度变化较小，梯度层间接合 紧密。 • 调节粉末粒度分布和烧结工 艺，可得良好热应力缓和的 梯度功能材料。
3.薄膜叠层法
在陶瓷和金属粉末体原料中加入微量粘结剂 与分散剂，用振动磨混合制浆并经减压搅拌脱泡， 用刮浆刀制成厚度10～200um的薄膜，将不同比例 的薄膜叠层压制，脱除黏合剂后，加压烧结陈阶 梯状FGM。要注意调节粉末粒度分布和烧结收缩的 均匀性，防止烧结式出现裂纹和层间剥落。
4.离心积层法
起飞时燃料箱上的脱落物击中机翼
飞机的左翼上有两条清晰的裂纹
• 在两种表面按照基体/陶瓷比率设计具有梯度的金 属基或碳基复合结构可解决上述问题。
设计梯度热防护功能材料
船舶工业
• 在舰船甲板上可采用含热障的、抗摩擦或抗冲击 的梯度功能材料涂层，或设计连续增强纤维排列 的逐级梯度，显著提高它们的缺口阻力，抑制微 观裂纹扩张，大幅改善甲板的抗高应变速率变形 和冲击性能，对舰船的防护及搭载飞行器具有重 要意义。
• 通过初始反应物浓度分布的空间变化，利用粉末混合 物化学反应产生的热量和反应自传播性，使材料燃烧 和合成来制备FGM的方法称为自蔓延高温合成法。 • 该法的特点是利用放热反应的能量使化学反应自动持 续下去，操作简单，反应迅速，最适合于生成热大的 化合物的合成．如AlN、TiC、TiB2等。
自蔓延高温合成
CVD工艺原理图
物理气相层积法
• PVD 法是通过物理法使源物质加热蒸发，进而在基 板上沉积成膜的一种制备材料的方法。 • PVD法可制备多层不同物质的膜；
• PVD 法得到的膜较薄，每层膜是单纯某物系，常和 CVD法结合使用；
• 目前已制出 TiC/Ti、 TiN/Ti、 CrN/Cr 、 TiAlN/Ti和 SiC/C/TiN等多层梯度功能材料。
PVD镀膜器件
激光熔敷法
• 把材料 A 放到基底 B表面上，用激光将其与 B基体中 表面薄层一起熔化，在B表面形成B合金化的A层。 • 重复操作，在B表面产生B含量逐渐减少的梯度。
• 梯度变化可通过控制初始A层的数量、厚度及熔区深 度来获得。
激光熔覆将材料A合金化到材料B制备FGM示意图
自蔓延高温合成法
能源工业
核反应堆
光学器件工业 • 梯度功能材料推动一个新 的光学分支-梯度折射率光 学的形成，在光学器件中 有大量应用。
• 梯度折射率透镜体积小、 焦距短、消像差性好，组 成的光学系统可大大减少 非球面组件数，简化光学 器件结构。
• 梯度折射率光纤可以自聚 焦，提高耦合效率。
梯度折射透镜
棒透镜
• 羟基磷灰石 (HA) 陶瓷和钛或 Ti-6Al-4V 合金组成的梯废功 能材料可作为仿生人工关节 和牙齿。 • HA是生物相容性优良的生物 活性陶瓷，钛及其合金生物 相容性也很好，强度高，
功能梯度材料
——产生背景
随着应航天航空的需要，，两日本人（新野正之、 平井敏雄）于1986年首先提出的，其实我们祖 先早在2400多年前就已生产了。 下图为ＦＧＭ的示意图。ＦＧＭ的主要优势体现 在可以连接２种不相容的材料，提高粘结强度， 减小不同材料之间的残余应力和裂纹驱动力， 消除不同材料界面的交叉点。
功能梯度材料
——发展方向
（２）制备工艺方面 常规的制备方法一般只能制造尺寸小、形 状简单的ＦＧＭ。开发和应用新的制备技 术，如仿生法、微波合成与烧结法、分子 自组装法、无压浸渗法、超分子复合法、 快速成型法、形变与马氏体相变法等，深 入研究电、磁、光、高能射线等对工艺的 影响，为梯度材料的制备提供更广阔的途 径。
③、功能上分：
（1）热防护梯度功能材料 （2）折射率梯度功能材料
功能梯度材料
注意： 梯度材料与合金材料、复合材料的区别
材料 设计思想 组织结构 结合方式 混杂材料 分子、原子级水平合 金化 0.1nm-0.1m 化学键、物理键 复合材料 梯度材料 组分优点的复合 特殊功能为 目标 0.1m-1m 分子间力 10nm-10mm 分子间力/ 物理键/化 学键 均质/非均 质 非均质
功能梯度材料
——概念
梯度功能材料(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；它要求功能、性能随内 部位置的变化而变化，实现功能梯度的 材料。
★ FGM，又称倾斜功能复合材料。
功能梯度材料
——概念
材料显著特征：
⑴组分结构及物性参数都呈连续变化; ⑵同一件材料的两侧具有不同性质或功能， 且能完美结合; ⑶在苛刻的使用条件下性能匹配而不发生 破坏。
航天工业
• 把 直 径 为 1~1.5m 的 高 纯 石 英 纤 维 加 压 成 型 ， 1290℃ 烧成后再按要求切成外形不同、大小不等的 “砖块”，粘贴到航天飞机蒙皮上。这种复合材料 防热系统的重复使用性、可靠性等存在很大问题。
发现号航天飞机的陶瓷热防护盔甲
2003年2月1日，“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因 就是这架航天飞机左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的 泡沫绝缘材料撞击，造成机体表面隔热保护层出现了大 面积松动和破损，形成可让“热气进入的空洞”，返航 途中因超高温空气入侵而彻底解体。
功能梯度材料
① 组 合 方 式 上 分
——概念
金属/金属
金属／陶瓷
陶瓷／非金属
梯度功 能材料
金属／非金属 非金属／塑料
陶瓷／陶瓷功能梯度材料②、组成 Nhomakorabea化上分：
——概念
（1）梯度功能整体型(从一侧到另一侧组成梯度变
化)
（2）梯度功能涂履型(涂层的组成梯度变化)
（3）梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化)
化学气相沉积法
• 两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定条件下发生 化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积以制备 FGM 的方法。 • CVD法可通过选择合成温度、调节原料气流量和压力等 来控制 FGM各组元的成分和结构，而且可镀复杂形状的 表面；沉积面光滑致密，沉积率高，成为制备复杂结构 的FGM涂层关键技术之一。
竹节中纤维素含量变化
功能梯度材料
一、产生背景 二、概念 三、设计过程 四、制备工艺 五、发展方向 六、应用
功能梯度材料
——产生背景
人类很早就认识到非均匀材料广泛存在于自然 界中，如岩石、竹子、牙齿、骨骼等生命或非 生命物体，并且其中一些的应用已有数千年的 历史。２０世纪８０年代以来，随着航空航天 工业的发展，材料的隔热成了最大的问题，特 殊的服役环境致使一般的匀质材料面临着高温 和大的温度梯度的挑战，即使足采用陶瓷或金 属复合材料，由于两者的热膨胀系数的差异， 在高温使用时也会产生巨大的热应力，导致在 材料表层出现剥落或龟裂，使材料失效。