功能梯度材料讲义

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
功能梯度材料的特点
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，实现某一特殊功能的一类新型材料。
单一材料
复合材料
功能梯度材料
功能梯度材料特性分析
1）热应力值可减至最小，而且适宜地控制热应力达到峰值的临界位置
功能梯度材料及其RP制备方法
功能梯度材料的介绍
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。
基于RP的功能梯度材料零件制备方法
麻省理工学院（MIT）的三维打印（3D printing）被认为是制造FGM最 有效的RP技术之一。其原理类似于彩色喷墨打印机，三维打印机是一 种二进制设备，对应一种材料液滴只有打印或不打两种状态，材料系 统定义的材料是连续的，需要用数字半色调技术将连续的材料变成二 进制形式。然后生成指令文件驱动三维打印机，完成FGM零件加工。
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
Fra Baidu bibliotek
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。
2）对于一给定的热机械载荷作用，推迟塑性屈服和失效的发生
3）抑制自由边界与界面交接处的严重应力集中和奇异性 4）与突变的界面相比，可以通过在成分中引入连续的或逐级的梯度来 提高不同固体之间的界面结合强度 5）可以通过对界面的力学性能梯度进行调整来降低裂纹沿着或穿过一 个界面的驱动力 6）通过逐级的或连续的梯度可以方便地在延性基地上沉积厚的脆性涂 层
功能梯度材料的CAD表达方法
RP方法最大的优点是以逐点、逐线的材料累加完成零件的加工，这一特 点特别适合于制备具有梯度材料分布的零件。 RP技术以CAD二维切片数据作为接口文件驱动硬件设备工作，但目前的 CAD造型系统存在的问题是只考虑零件几何信息，也即解决了 f(x,y,z)=C 的问题，其中C为模型上的某种属性。CAD模型只具有几何和拓扑属性， 而不具备材料表达功能。