功能梯度材料

功能梯度材料高温制备方法的现状与展望

邓永存信晓兵

（唐山钢铁集团公司第一钢轧厂河北唐山063009）

摘要：功能梯度材料(FGM)是20世纪80年代出现的一种新型功能材料，它具有耐高温、耐磨损等许多优良性能，因此，在航空航天等很多领域得到了广泛的应用。本文重点对功能梯度材料高温制备方法的现状进行了论述。

关键词：功能梯度材料；定义；应用；制备方法。

Actuality and prospect of high temperature producing methods of

functionally gradient materials

DENg Yong-cun, XIN Xiao-bing

(Tang Steel，Tangshan Hebei 063009 China)

Abstract: Functionally gradient materials (FGM), which are the new functional materials, appeared in the 1980's. They own supreme capabilities of resistance to elevated temperatures stand wear and tear etc., therefore, have been widely used in so many domains as aerospace. This paper introduces mainly the actuality of high temperature producing methods of FGM.

Key words: functionally gradient materials (FGM); definition; application; producing methods.

一、功能梯度材料

功能梯度材料是近些年新发展起来的一种新型功能材料。1987年日本学者平井敏雄等人首先提出功能梯度材料这一概念，该材料的应用目标主要是航天飞机的防热系统和发动机。即以连续变化的组分梯度来代替突变界面，消除了物理性能的突变，使热应力降至最小（如图1所示）。起初，其定义为：功能梯度材料(Functionally Graded Materials，简称FGM)是指构成材料的要素(组成、结构)沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续梯度变化，从而使材料性质和功能也呈梯度变化的一种新型材料[1]。现在功能梯度材料完整的定义是根据使用要求，选择使用两种不同性能的材料，采用先进的材料复合技术，使中间的组成和结构连续呈梯度变化，内部不存在明显的界面，从而使材料的性质和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料[2]。制备和发展梯度功能材料成为当今材料相关学科研究的重要组成部分，更是高科技功能材料、航天、航空、核工业、生物工程等部门的迫切需要。

图1 功能梯度材料的结构和特性

按照不同的分类方法，功能梯度材料可以分为不同的种类。根据不同的梯度性质变化，功能梯度材料可分为密度功能梯度材料、成分功能梯度材料、光学功能梯度材料和精细功能梯度材料等四类；根据应用领域[3]不同，功能梯度材料可分为耐热功能梯度材料、生物功能梯度材料、化学工程功能梯度材料、电子工程功能梯度材料等四类。二、功能梯度材料的应用领域

功能梯度材料最初用于缓和热应力，应用于高温环境特别适用于材料两侧温差较大的环境，其耐热性、再用性和可靠性是以往使用的陶瓷基复合材料无法比拟的。现在，功能梯度材料通过金属、陶瓷、塑料等无机物和有机物的巧妙组合，在航空航天、生物医学、机械工程、电磁、核工程、民用及建筑、能源工程光学等领域都有广泛的应用。表1列举了功能梯度材料在各个领域中的应用[2，4，5 ]。

表1 功能梯度材料的应用

应用领域应用范围功能

航空航天飞机机体、发动机燃烧室内壁耐热、耐热冲击、耐热疲劳、热引力

缓和

生物工程人造骨骼、人造心脏、人造牙齿、仿生物制品高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲

劳、耐磨损、生物相容性

机械工程拉丝导轮、汽轮机排气门、轴承等零部件耐热、耐腐蚀、耐磨损、高强度、韧

性好

光电工程大功率激光棒、复印机透镜、光纤接口热应力缓和、光电效应、梯度功能

电磁工程陶瓷滤波器、超声波振荡器、磁盘、高密度封

装基板、超导材料、电磁屏蔽材料、永久磁铁、

硅、化合物半导体混合IC、长寿命加热器压电梯度功能、电磁梯度材料、导电及绝缘梯度功能

核工程原子炉构材、核熔炉内壁材、等离子体测试、

高强度、耐热、耐腐蚀性

控制用窗材等

民用及建筑纸、纤维、衣物、食品、炊具、建材等耐热、防寒、营养保健、减震降噪

能源工程热点工程、地热工程、太阳能电池、塑料电池耐热、耐腐蚀、耐热冲击性

化工领域功能性高分子膜、触媒燃料电池、催化剂耐腐蚀、耐热、绝缘、高强度

三、功能梯度材料制备方法的现状

制备出的FGM可以是金属-金属、金属-陶瓷、非金属-非金属、非金属-陶瓷等。功能梯度材料制备的关键是控制材料结构，使组成和显微结构按照要求逐渐变化。

制备功能梯度材料可分为高温环境制备和低温环境制备两种途径。近几年来有的学者开始采用低温工艺方法制备功能梯度材料，所制备出的功能梯度材料具有较优异的性能。不过，这些研究才刚刚起步。而且低温制备FGM的工艺方法主要集中在电化学领域，主要有电镀、电泳、电铸、化学镀法[6]和多层复合镀[7]等5种方法。高温环境制备方法则是以原料的蒸汽、熔融状态或烧结等高温状态，采取一定的工艺来制取功能梯度材料。

目前，高温环境制备功能梯度材料的主要方法有以下几种：

1. 气相沉积法

气相沉积法是利用具有活性的气态物质在基体表面沉积成膜的技术。按沉积机理的不同分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两类。CVD法是通过控制反应气体的浓度或控制CVD条件，在基板上获得连续渐变膜的方法。而PVD法是通过物理方法如离子镀，溅射及分子束外延等使源物质蒸发在基体上沉积成膜的一种方法。这种制备技术主要用于制备薄膜梯度材料。气相沉积法可以通过控制反应气体的压力、组成及反应温度，在远低于材料熔点的温度下合成组织、成分沿厚度连续变化的功能梯度材料，不过不能制备大厚度的块材，设备要求高，且合成速度低。目前人们对提高气相沉积速度正在进行广泛的研究，取得了一定的进展。目前利用CVD法已成功制造出C/C、Si/C、TiC/C、C/Al等体系的FGM[8]。国外已用PVD法制备出NiCr/ZrO2/Y2O3、Al/Zr、ZrO2/NiCrCoAlY等多层梯度功能材料[9]。日本用此法合成SiC-C系梯度材料的速度最高达2.5mm/h[3]。日本东北大学的研究人员用CVD法制备TiC-C功能梯度材料，他们通过TiCl4-CH4-H2系统的化学气相沉积构造出组分TiC由0%过渡到95. 2%的功能梯度材料。此外SiC/C、SiC/TiC、TiC/C、Cr2 O3 /N、Ti/TiC、Ti/TiN、A1/A1N和Cu/Zr O2等大量的FGM涂层体系都可以采用气相沉积工艺获得[10]。

2. 自蔓延烧结法(简称SHS法)