航天飞机功能梯度材料

3. 无梯度样品冷却时开裂，有梯度样品有
近400MPa结合强度
不锈钢－陶瓷(Si3N4)界面上应力分布 (单位：1/100MPa) （a）无梯度；（b）有梯度
4.有梯度时集中区拉应力仅为无梯度时的 1/3-1/4
成分设计： 表层：陶瓷类结构材料，耐热、 抗氧化
Hale Waihona Puke Baidu
内层：金属材料，高热导率、 机械强度；
组分优点的复 特殊功能为目 合 标 0.1m-1m 10nm-10mm 分子间力 非均质 分子间力/物 理键/化学键 均质/非均质
宏观组织
功能
均质
一致
均质
一致
非均质
梯度化
3 梯度功能材料的特点 1）组分、结构和性能均呈连续梯度变化。 2）内部无明显的界面。 4 梯度功能材料分类 1） 组合方式上分： 金属/金属 金属/陶瓷、 金属/非金属、 陶瓷/陶瓷、 陶瓷/非金属
料烧结和合成。
特点：适合于生成热大的化合物的合成，如AlN、TiC、TiB2等 操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高
材料致密度低
应用： 1）电磁加压＋自蔓延：TiB2/Cu； 2）自蔓延＋热等静压相结合：TiC/TiC+10％Ni/TiC+20 ％Ni/TiC+30％Ni； 3）爆炸压实生坯＋自蔓延：A12O3/Ti密度从82％到94％
颗粒梯度排列法 是类似于粉末冶金法的一种烧结方法， 可分为颗粒直接填充法和薄膜叠层法。 优点：可制备大体积的梯度材料 缺点：工艺复杂，一定的孔隙率，尺寸受模 限制。
颗粒直接填充法：
将金属、陶瓷等粒子按一定的梯度分布 直接填充到模具中经过加压、浇结而成
薄膜叠层法：
将金属和陶瓷粉末掺人微量胶粘剂、分散 剂等，振动磨制成泥浆，脱气压膜，再将这 些不同成分和结构的薄膜叠层、烧结
由两日本人（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。
2 梯度功能材料(functionally gradient materials，缩写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。
热防护梯度功能材料的特征评价 1）局部热应力评价
采用激光和超声波的方法来评价局部热应力的分布和大小。
2）热屏蔽性能评价 通过高温落差基础试验和模拟实际环境下的隔热性能和耐
久性试验，来评价梯度功能材料的热屏蔽性能。 3）破坏强度评价
在2000K以上的环境中，测定其破坏强度，以考察梯度功能材料的耐 超高温的机械强度。它包括断裂强度评价、热冲击评价和热疲劳评价。
非金属/塑料
2）组成变化上分：
（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) 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
常见热防护梯度功能制备工艺
化学气相沉积技术
热应力缓和型SiC/C 梯度材料的CVD合成 原料：SiCl4+CH4+H2 H2-载体气 SiCl4（液态）－硅源
自蔓延技术
点火装置
产物 TiC 反应区 燃烧波前沿 预热区 反 应 进 行 方 向
钢管
Fe层
Al2O3陶瓷
Ti+C
混合物
铝热剂
SHS反应模型示意图
离心复合梯度层
过程： 将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化充填，加压压实，从成形体的一端点火燃 烧，反应自行向另一端传播，利用化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材
功能梯度材料
航天飞机
W:T=3680K, 19.3; MO:T=2890K,10.2 氧化物陶瓷熔点均在2000K以上，密度： Al2O3=4.0；TiB2=4.5；SiC＝3.12等 虚线－压应力区；0－无应力区 比较发现：
1. 成分突变会导致应力集中（解决不好，
哥伦比亚号坠毁，见图） 2. 成分逐步过渡，应力集中大大降低
越王勾践剑深埋地下2400多年，1965年冬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。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。其实大自然，人类自身早已存在了功能梯度材料。
无机： 羟基磷灰石
生 物 功 能 梯 度 材 料
碳酸磷灰石 有机： 胶原纤维
骨是无机与 有机的复合 材料
人体长骨结构示意图
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 微观组织 混杂材料 分子、原子级水 平合金化 0.1nm-0.1m 化学键、物理键 均质/非均质 复合材料 梯度材料
物理气相沉积技术
控制因素： 1.蒸发速度 2.蒸发物质的组成 3.基板温度 4.反应气体的导入量 阴极：中空 阳极：铜坩锅 氩气：阴阳级放电时 氩气电离产生 氩等离子体 坩锅中金属：受热、 熔融、蒸发、 沉积 于基板
过程： 通过加热等物理方法使源物质(如金属等) 蒸发，使蒸气直接沉积在基板上成膜，或 与反应气体作用并在基版上沉积（物理－ 化学气相沉积） 特点： 1.物系的选择面宽 2.产物纯度高 3.组成控制精度高 4.可制多层不同物质的膜 5.膜薄，每层膜为一种物质 应用：合成各种金属和包括氧化物、氮化 物、碳化物在内的陶瓷以及金属/陶瓷的复 合物
CH4-C源
发热体－石墨 基板－石墨
过程：通过两种气相物质在反应器中均 使生成物在基板上沉积 特点： 1.调节气的流量和压力控制组分比 2.可镀表面形状复杂的材料
匀混合，在一定的条件下发生化学反应，
3.沉积面光滑致密
4.沉积率高 应用：Ti/TiC、Ti/TiN、Cr/CrN、
SiC/C/TiC等
中间通过成分、结构、性能上 的梯度变化，释放其热应力。
液氧的温度约为-297华氏度
液氢的温度约为-423华氏度
绝热瓦
航天飞机的外部燃料箱体形巨大，长度约 为154英尺，直径大约27.6英尺。哥伦比亚号 的外部燃料箱净重66,000磅，装满液氢和液 氧之后，总重量可达170万磅。
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梯度功能材料概念的提出 是应航天航空的需要，能在极限环境下正常工作而发展起来的一种新型功能材料。