（固体力学专业论文）功能梯度材料及其强度分析.pdf

摘要 功能梯度材料是一种新型的非均匀复合材料。它的两侧由不同性能的材料组成，中间部分 的组成和结构连续的呈梯度变化，从而使材料的性质和功能也沿厚度方向呈梯度变化，克服了 不同材料结合的性能不匹配因素，使两种材料的优势都得到了充分发挥。为了从理论上研究功 能梯度复合材料的承载能力，本文将经典的层合板理论运用到功能梯度材料，选择h i l l 一蔡强度 准则作为断裂准则，通过材料的基本物性参数预测功能梯度材料的强度。按照顺序内容包括以 下几个方面： ( 1 ) 介绍了功能梯度材料( f g m ) 的概念、性质、开发背景、研究现状( 包。括材料设计、材料制备、 材料性能评价1 以及其在航天、核领域、生物医学、化学、电磁、民用建筑等方面的广泛应 用。并对功能梯度材料以后的发展趋势进行了简单的预测。 f 2 ) 运用传统的粉末冶金法，制备出了性能良好，不同质量百分比( 1 0 、1 5 、2 0 、2 5 ) 的均匀碳化硅颗粒增强铝基复合材料，在此基础上用简单的拉伸试验，压缩试验以及热膨 胀试验测定了不同质量百分比的均匀碳化硅颗粒增强铝基复合材料的物性参数，从而为第 四章梯度复合材料强度的预测提供了可靠的数据。并采用中间夹层扩散焊工艺将不同质量 百分比的均匀复合材料焊接呈阶梯变化的梯度复合材料。 0 ) 在查阅大量文献的基础上，总结了近几年国内外研究者对功能梯度材料在细观力学方法方 面的研究概况以及宏观力学响应方面的研究进展。基于经典板壳理论，假设材料性质( 弹性 模量、泊松比、膨胀系数等) 为沿板厚度方向坐标的幂函数，推导了功能梯度矩形板在热 机耦合载荷作用下的平衡方程，并建议用等效温度载荷方法求解该方程。 f 4 ) 将经典的层合板理论运用到功能梯度材料中，假设梯度复合材料单层扳之间焊接良好，中 间夹层很薄，其本身不发生变形，并且梯度层合板仍然符合薄板假定，整个层合板等厚度。 在此基础上，选择h i l l 一蔡准则作为强度破坏准则，根据单层板的物性参数预测了梯度层合 板的强度。 关键词：功能梯度材料，层合板，颗粒增强铝基复合材料，弯曲，强度 宁夏大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t f u n c t i o n a l l yg r a d e dm a t e r i a l s ( f g m ) i san e wk i n do fn o n h o m o g e n e o u sc o m p o s i t e a c c o r d i n gt o t h ed e s i g nc o n c e p to ff g m ，i t sc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r ev a r yg r a d u a l l ya n dc o n t i n u o u s l yf r o mo n e m a t e r i a lt oa n o t h e r ，t h e r e f o r ei t sp r o p e r t ya n df u n c t i o nv a r yg r a d u a l l ya l o n gt h el i n eo ft h i c k n e s s 1 1 t h i sw a y , t h eu n m a t c h e df a c t o r so fd i f f e r e n tm a t e r i a l sc a nb eo v e r c o m e da n da d v a n t a g e so fb o t h m a t e r i a l sc a nb eb r o u g h ti n t of u l lp l a y t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri st op r e d i c tt h eu l t i m a t e s t r e n g t ho ff g mt h r o u g ht h eb a s e sp r o p e r t i e s t h ep r i m a r yw o r k so ft h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) f l a t l y , t h ec o n c e p t 、c h a r a c t e r i s t i c s 、d e v e l o p m e n tb a c k g r o u n d 、c u r r e n ts t a t u s ( m a t e r i a ld e s i g n 、 p r e p a r a t i o nm e t h o d sa n dp r o p e r t ye v a l u a t i o n ) o f f g ma n di t sa p p l i c a t i o ni na e r o s p a c e 、 n u c l e u sa r e a 、b i o m e d i c i n e 、c h e m i s t r y 、e l e c t r o m a g n e t i s m 、c i v i la r c h i t e c t u r ea n di n d u s t r i e sa r e b r i e f l yi n t r o d u c e d a n ds i m p l yp r e d i c t sf g m st r e n do fd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e ( 2 ) s e c o n d l y , u s i n gt r a n d i t i o n a lp o w e rm e t a l l u r g yt e c h n i q u e , s e l e c ta l u m i n u ma sm a t r i x ，s i ca s r e i n f o r c e m e n t ，s i cp a r t i c u l a t e sr e i n f o r c e dp u r ea l u m i n u mc o m p o s i t ew a ss u c e e s s f u u y f a b r i c a t e d , w i t h l o 、1 5 、2 0 a n d 2 5 v o l u m e f r a c t i o no f s i c p a r t i c l e s w e r e p r e p a r e d i n t h i s b a s e s u s i n gt e n s i l et e s t ，c o m p r e s s i o nt e s ta n dc o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o nt e s tm e a s u r e st h e c o m p o s i t e s p r o p e r t i e s ，o f f e r s r e l i a b l ed a t e sf o rc h a p t e r4t o p r e d i c tf g m s u l t i m a t e s t r e n g t h a n da d o p td i f f u s i o nw e l d i n gm a k ed i f f e r e n tq u a n t i t yp e r c e n t a g ec o m p o s i t e sw e l d t o g e t h e r ( 3 ) a c c o r d i n gt om ys u r v e r yo ft h ec o r r e s p o n d i n gl i t e r a t u r e s ，a no u t l i n ea b o u tt h er e s e a r c ha n d a d v a n c e si nt h es t r u c t u r a lm e c h a n i c a lb e h a v i o r so ff g ms t r u c t u r e si ss u m m a r i z e d ，b a s e do nt h e c l a s s i c a ll a m i n a t e t h e o r y , b ya s s u m i n g t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h ef g mv a r y i n g c o n t i n u o u s l yt h r o u g ht h et h i c k n e s so ft h ep l a t e ，t h eg o v e r n i n ge q u a t i o n so ft h ef g mp l a t e s u b j e c t e dt ot h e r m a la n dm e c h a n i c a ll o a d i n g sa r ed e r i v e d ( 4 )a p p l y i n gt h ec l a s s i c a ll a m i n a t et h e o r yi nf g mp l a t e ，a s s u m i n gt h em a t r i xo fac o m p o s i t el a y e r w e l d i n gb e t t e r , i n t e r m e d i a t ea r ev e r yt h i n n e s s ，a n dt h ew h o l el a m i n a t e sa r es t i l lt h i ns h e e ta n d h a v eu n i f o r mt h i c k n e s s i nt h i sb a s e s ，s e l e c th i l l c a i c r i t e r i aa st h eu l t i m a t es t r e n g t hf a i l u r e c r i t e r i a ，f r o mm o n o l a y e r sp r o p e r t i e sp r e d i c tt h ef g mp l a t eu l t i m a t es t r e n g t h k e y w o r d s ：f u n c t i o n a l l yg r a d e dm a t e r i a l s ，l a m i n a t e ，b e n d i n g ， p a r t i c u l a t er e i n f o r c e da l u m i n i u mm a t r i xc o m p o s i t e ， u l t i m a t es t r e n g t h i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 团长争 时间：2 0 06 年弓月l 上日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传 播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 田发牮 导师签名：杏 时间：2o 【j ( 年5 月l - e 1 3 时间：扣，o6 年夕月心目 宁夏大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着科技的飞速发展，对材料的性能要求越来越高。当单质材料的性能和功能很难满足设计 要求时，一种有效的办法是将不同物质有机的组合起来形成在性能和功能上远远超出其单质材料 的复合材料。复合材料有很多突出的优点，如它的比强度和比刚度高、抗疲劳性能好、高韧性和 抗冲击性、高导电性和热导性、破损安全性好、减震性能好、成形工艺简单灵活、材料结构可设 计性好等等，不同的组分组合得到不同的复合效果。世界各国的学者在长期研究传统材料的基础 上，不仅更加深入地从工程技术方面完善已有的材料，还从理论上陆续提出了许多新概念，来满 足各种特殊环境零件的性能要求。尤其是诸如超高温、超低温、超高压等极限环境，对材料提出 了更苛刻的要求。 众所周知，在一个器件内部，材料成分或性能的不连续变化，将导致由内部或外部因素引起 的应力局部集中另外，如果一种材料向另一种材料变化是梯度过渡时，应力集中的问题会得到 大大缓解。功能梯度材料应运而生。 日本科学家新野正之、平井敏雄、渡边龙三等“1 首先提出功能梯度材料的新设想和新概念。 功能梯度材料的研究开发最早始于1 9 8 7 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”，其目的是为了解决在设计制造新一代航天飞机热保护系统中出现的 许多问题。据估计，航天飞机工作时，机体外面有些部位最高温度将达1 8 0 0 c ，而另一侧直接接 触制冷材料液氢，内外表面温差在1 0 0 0 c 以上材料内部会产生巨大热应力，因而对材料提出十 分苛刻的要求传统采用的耐热金属表面涂敷一层高温陶瓷的隔热包覆材料，由于热膨胀系数相 差很大而使界面处产生很大的热应力，有时会导致表面涂层剥离，脱落和破坏甚至引发重大事故。 其他复合材料也一样，由于界面上成分骤然变化，也不能承受巨大的热应力变化。能用于这种环 境条件的材料必须具备以下三个特征：材料的高温表面层能耐热和抗氧化，低温侧具有力学韧性 及整个材料中能有效的缓和热应力。功能梯度材料正是在这种背景下提出的：在承受高温的表面 配置耐高温陶瓷，在与冷却气体接触的表面配置导热性和强韧性良好的金属，而在两个表面之间， 采用先进的材料复合技术，通过控制金属和陶瓷的相对组成及组织结构，使其无界面地连续变化， 就得到一种呈梯度变化的材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，强度逐渐升高， 热应力在材料两侧均很小，在材料中部热应力达到最大值，从而具备热应力缓和的功能“。 功能梯度材料是在现代材料设计思想的指导下创造出来的，它的出现标志着现代材料设计思 想进入了高性能新型材料的开发和创制阶段，使传统的金属材料和陶瓷材料成为“可设计的材 料”由于先进的设计思想，功能梯度材料一出现，便受到了国际学术界的广泛重视1 9 9 0 年 首次在日本仙台市召开梯度材料国际会议，此后每两年举办一次梯度材料国际会议，2 0 0 2 年1 0 月在中国北京举行第七次国际功能梯度复合材料会议。各个发达国家均投入巨大的财力、人力和 物力进行研究和开发，各种报刊纷纷对功能梯度材料做专题介绍。功能梯度的概念被各种词典收 录，有的报刊将功能梯度材料评为十大先端技术之一日本政府共出资一亿美元以上资助与功能 梯度材料有关的大型科研项目。除日本外，其它国家如美、德、法、瑞士、俄罗斯等国家也开展 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 了这方面的工作，1 9 9 3 年美国国家标准技术研究所开始开发以超高温耐氧化保护涂层为目标的大 型功能梯度材料的研究项目我国武汉工业大学袁润章教授在1 9 8 4 年前后最早提出了功能梯度 材料的概念“1 ，并在金属一陶瓷复合刀具的研究中开始了这方面的工作随后武汉工业大学、上海 硅酸盐研究所、沈阳金属所、天津大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学、华中理工大学、西北 工业大学等单位，在材料设计、工艺合成和评估方面做了大量工作，取得了可喜的成果。我国在 “8 6 3 ”高技术项目和国家自然科学基金等国家科研项目中予以重点支持。 正是由于功能梯度材料新颖的设计思想、极为优良的性能，科学家们对它的研究越来越广泛， 从初期的材料设计、制各以及性能评价到整体的结构力学性能研究及工程应用，已经取得了多方 面的研究成果。功能梯度材料的力学行为研究已经形成一个新的固体力学研究方向，越来越多的 从事固体力学和材料科学研究的人员涉足于这一领域”。功能梯度材料及结构在热载荷或热一机 耦合载荷下的力学行为成为这个领域的主要研究方向。与普通复合材料相比，功能梯度材料结构 在机械载荷和热载荷共同作用下的应力与变形的变化规律更加复杂，对此方面的研究已经成为功 能梯度材料应用领域的关键性课题“1 1 2f g m 的基本概念及原理 功能梯度材料( f u n c t i o n a l l yg r a d e dm a t e r i a l ，简称f g m ) 是指根据具体要求，选择两种或两 种以上具有不同性能的材料通过连续的改变这些材料的组成和结构，使其内部界面减小乃至消 失，从而使材料性质和功能也呈梯度变化的新型非均质复合材料”组成和微观结构的梯度变化 可以满足在单一材料或器件内部的不同部位实现不同功能的需要，从而优化材料或器件的整体性 能按材料组分的分布方式，复合材料可分为梯度、均质和复层复合材料三大类。图1 1 所示为 f g m ，均质复合材料和复层复合材料的微观结构特点： 囤a 梯度材料图b 均质材料围c 复层材料 图1 1三种复合材料微观组织结构示意图 图a 是f g m 各组分微观排列示意图，从图中可以看出，其组成是按一定的规律连续变化的，从 结构的一个表面到另一个表面，其中间组分均质过渡，两个表面分别由不同的材料构成。图b 是 均质材料的微观组织排列示意图，均质材料不存在组织过渡，其组成、结构、组织以及与之相应 2 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 的功能和性质在整个材料内部都是均匀分布的图c 是复层复合材料，材料的两相组成存在明显 的异相突变界面，两侧的物理性质、化学性质相差很大以前材料工作者在材料的研究开发过程 中，总是注重材料的组成和组织的均一性，即使对复合材料也要求内部的分散相是均匀分布的， 其整体材料的性能是同一的，但是往往在考虑实际应用的时候，材料所承受的外界环境通常并不 均一。f g m 更能满足实际需要。因为传统的纤维一基体复合材料在两相的界面上存在物理性能的 失配问题，在极高温度载荷作用下层问易产生应力集中，出现脱层现象，或者在界面上萌生裂纹 而削弱材料的性能。并且复合材料中增强体和基体间热膨胀系数的差异，会有残余应力产生，而 f g m 通过逐渐的改变材料成分的体积百分比含量而不使其在界面上产生突变。 由于f g m 这种特殊的微观组织特征，从而使得他的物理性能可以从低温侧的金属到商温侧 的陶瓷，进行平滑而连续的变化如图1 2 所示，机械强度从金属侧向陶瓷侧逐渐降低，而耐热 特性从金属侧向陶瓷侧逐渐增加，热应力在材料两侧均很小，在材料中部热应力达到最大值，从 而具备热应力缓和的功能这种性能的连续变化是通过逐渐的改变材料成分的体积百分比而实 现的。f g m 从连续变化的组分梯度来代替突变界面消除了其物理性能的突变，使其构件中的 热应力降至最小。这种性能使得f g m 能在极高温度梯度下工作，而能保持其构件的结构完整性 因为材料中的陶瓷成分以其较低的热传导率，产生高温热阻抗，金属成分则因为其较高的强度防 止了由于高温度梯度引起的断裂，与传统的复合材料相比，减小了热应力、残余应力以及应力集 中系数，从而消除了界面问题并使应力分布平缓因此，f g m 既能够充分发挥陶瓷的良好的耐 高温、抗腐蚀和金属的强度高、韧性好的特点，又能很好的解决金属和陶瓷之间的热膨胀系数不 匹配问题 图1 2 功能梯度材料力学特性示意图 1 3f g m 的研究现状 随着f g m 的巨大潜在应用被发现，f g m 得到了广泛的研究。1 。f g m 的研究包括材料设计， 3 陶瓷侧 金属侧 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 材料制备和材料的特性评价等三个部分，三者相辅相成，缺一不可“”图1 3 是材料设计、制备 及性能评价三者之间的关系示意图，材料制备是f g m 研究的核心，材料设计为f g m 合成提供最 佳的组成和结构梯度分布，材料特性评价通过建立针对f g m 特性的一整套标准化实验方法，据 此对f g m 进行测试，并及时反馈信息给材料设计部门。 1 3 1f g m 的设计 围1 3 材料设计、制备及评价的关系 f g m 的设计是根据材料的实际制备与使用条件，提出f g m 的目标性能要求，结合基础材料 的有关物性，通过热应力模拟计算来对f g m 的组成和结构进行最优化设计，其最终目的是为了 得到满足使用要求热应力缓和程度最大的梯度材料成分分布。为了减少制备的盲目性，使最终制 备的梯度材料具有最佳性能，对材料进行合理的热应力缓和设计是非常有必要的传统的复合材 料虽然微观上是不均一的，但是在研究材料的宏观性能时可以将它作为均质材料进行处理，因此 人们可以利用建立在均质材料的力学理论基础上的一些理论或半经验的混合法则来预测复合材 料的性能。但是功能梯度材料与传统复合材料相比，在材料设计方面有着根本不同之处，它主要 通过计算机辅助设计系统，根据规定的所要设计的物体的形状和工作要求，选择可能的合成材料 的组配和恰当的制造方法，进而根据材料的物性参数及控制梯度化的适宜条件，进行温度分布解 4 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 析和热应力解析，以探索比应力达最小值的组成分布形状或材料组配最后将有关设计结果提交 材料合成部门f g m 设计是一个逆向设计过程“”，所谓f g m 逆向设计，如图1 4 就是首先确定 材料的最终结构和应用条件，然后从f g m 数据库中选择满足使用条件的材料组合，过渡组分的 性能和微观结构，以及制备和评价方法，最后基于上述结构和材料组合选择，根据假定的组成成 分分布函数，计算出体系的温度分布和热应力分布。通过调整假定的组成成分分布函数，就有可 能计算出f g m 体系中最佳的温度分布和热应力分布，此时的组成分布函数即最佳设计参数“”1 。 f g m 设计主要构成要素有三：( 1 ) 确定结构形状，热力学边界条件和成分分布函数；( 2 ) 确定各种 物性数据和复合材料热物性参数模型；( 3 ) 采用适当的数学- 力学计算方法，包括有限元方法计算 f g m 的应力分布，采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计 否 图1 4 功能梯度材料逆设计流程图 以热应力缓和f g m 为例，根据使用的热环境和构件形状确定热应力力学边界条件，以知识 库为基础选择可供合成的f g m 组合体系和制备方法，然后选择成分呈梯度变化的分布函数，按 照材料的复合规律、微观力学理论、材料性能数据库等进行材料的性能推断，最后实施温度分布 5 宁夏大学硕十学位论文 第一章绪论 和热应力计算。变换梯度成分分布函数和材料组合，反复上述过程，可得到应力最小的组合和梯 度成分的f g m 最后将设计结果提交材料合成部门，合成后的材料经过评价再反馈到材料设计 部门 根据热载荷条件、熟载荷过程、初始条件和边界条件的不同，f g m 设计主要研究以下几个 问题： ( 1 ) 组成分布的描述问题： ( 2 ) 微观结构与物性参数的关系问题； ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) f g m 在制备过程中的残余应力计算与优化即所谓的静态问题 f g m 在隔热过程中的工作应力计算与优化即所谓的稳态闯题 f g m 在热一机耦合载荷冲击状态下的瞬间热应力计算与优化即所谓的动态问题 温度场、应力场的耦合问题： f g m 设计的三维化及复杂形状f g m 设计方法； f 8 ) 功能型f g m 的最优性能设计 作为f g m 研究的重要组成部分，梯度材料的设计研究目前仍有很多问题需要进一步研究解 决，主要表现在： ( 1 ) 梯度材料设计的数据库( 包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等) 还需要极 大的补充、收集和归纳、整理、完善； ( 2 ) 尚需要进一步研究和探索统一、准确的材料物理性质模型，揭示梯度材料物理性能与成 分分布、微观结构以及制备条件的定量关系，为准确可靠的梯度材料预测奠定基础； ( 3 ) 尚需要进一步研究和探索针对梯度材料体系的热弹塑性等力学模型，为准确、可靠的梯 度材料物性预测奠定基础； ( 4 ) 尚需要发展计算机辅助设计水平和进一步开发梯度材料设计的专家系统； ( 5 ) 随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增多，必须研究更多的物性模型和设计体系， 为梯度材料在多方面的研究和应用开辟道路。 1 3 2f g m 的制备 材料制备是f g m 研究中的核心，制备不出性能良好且满足形状和结构的f g m ，f g m 的真 正实用化就无从谈起。制备f g m 的工艺关键在于如何使材料组成和组织等按设计要求形成梯度 分布。功能梯度复合材料的制备技术是功能梯度复合材料发展、应用的关键，它一方面使设计的 结果得到实现，满足实际应用的需要，另一方面功能梯度复合材料的制备技术又决定着材料显微 结构的形成、组分材料分布的控制以及制造成本等，从而直接影响功能梯度复合材料的性能和推 广应用。目前，已能制各出金属一金属，金属一陶瓷，非金属一非金属，非金属一陶瓷等f g m 。通 常按照原料状态把制备方法分为气相、液相和固相方法“一般需要根据f g m 的材质组成、材 料的形状及大小来选择合适的制备工艺，表1 1 将f g m 的制备工艺分类： 6 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 原料方 法优缺点 分类 化学气相沉积法( c v d )沉积速度快，工艺灵活，能精确控制材料的组分，结构和形态，而且 气相中的组分与基材表面反应，相应的结合强度较高，但受沉积室 体积的限制。该方法只适用于小尺寸的基材表面的沉积 气 物理气相沉积法( p v d )沉积速度低，对基体的热影响小，但不能连续控制成分分布，所制得 的材料致密性差。而且涂层与基体表面的结合力低，易于剥落 相 制备f g m 的关键是控制好预制件空隙的分布及大小，由于渗浸过 化学气相渗浸法( c v i ) 程中预制件与被渗浸液相是通过毛细作用结台的，所以两者间不 能有互熔性 电子束物理气相沉积法工艺设备简单，操作方便，成型压力和温度低，精度易控制，生产成 ( 功p v d ) 本低廉，但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料 泥浆法 工艺简单方便，适合于制备一些形状复杂的部件及具有连续梯度 分布的片状功能梯度材料 液熔融金属渗浸法适合于制备熔点相差很大。象w c u 类型的功能梯度材料 激光熔覆法可以显著改善基体材料表面的耐磨，耐蚀，耐热及电气特性和生物 相 活性，但由于激光温度过高，涂层表面有时会出现裂纹或孔洞，并且 陶瓷颗粒与金属往往发生反应 离心铸造法适用于批量生产，能制各出大块组分连续分布的f g m 生产成本较 低但一般仅适于量筒类铸件，而且两组分问必须有密度差 等离子喷射法可以方便的控制粉末成分的组成，沉积效率高，易得到大面积块材， 获得的f g m 空隙率较高，喷涂层间结合力低，易剥落，机械强度低 固 粉末冶金法烧结时间短，压力低，产品无裂纹，致密，是使用最广泛的方法之一， 但制各的f g m 组分只能呈非连续性的阶梯式变化，且由于烧结的 扩散运输作用，导致界面分布模糊 相 自蔓延反应( s t t s )适用于反应热很大的化合物的合成，但得到的f g m 空隙率较大。 容易产生不期望的反应生成物，机械强度低 薄片堆叠法能用来制备形状复杂的f g m 制品，不需要模具，适合于f g m 的批 量生产 表1 ，1 功能梯度材料制备方法及其优缺点 7 宁夏大学硕十学位论文第一章绪论 通过以上制备技术，虽然已经成功制备出了一系列f g m ，但是一些工艺在一定程度上也存 在难于保证f g m 中成分按设计分布的问题。制备技术的不成熟是限制f g m 大规模生产和应用的 主要障碍，目前f g m 制各研究主要集中在高温环境下，等离子喷涂法、自蔓延燃烧高温合成法 ( s h s 法) 被认为是最具有应用前景的制备方法“”，但仍存在工艺过程复杂、设备成本高、生产 效率低等缺点，使生产的f g m 的成本较高。近年来，有的学者开始采用低温工艺方法制备f g m ， 低温制备f g m 的方法集中在电化学领域，主要有以下四种工艺：电镀、电泳、电铸和化学镀。 由于低温制备f g m 研究工作的开展，必将大大地拓展f g m 的应用范围。尤其是采用该方法制备 大而形状复杂的零部件，具有自身特别的优势。制备技术研究总的趋势是：( 1 ) 开发自动化程度高， 操作简便的制备技术；( 2 ) 开发大尺寸和复杂形状的f g m 制备技术；( 3 ) 开发更精确控制梯度组成 的技术。 f g m 制备的研究主要应该从以下几个方面进行： ( 1 ) 研究能够实现组成成分和微观结构按照设计连续分布的f g m 制备工艺法； ( 2 ) 根据不同的原料状态( 气相、液相和固相) 和不同载荷对f g m 厚度及结构特点的要求，研究不 同的f g m 制备工艺； ( 3 ) 研究梯度薄膜的制备方法； ( 4 ) 研究复杂形状f g m 的制备方法。 1 3 3f g m 的特性评价 f g m 性能评价是将经材料设计和制备所制得的梯度材料在模拟的实际使用环境条件下，测 定其各种性能，判断其是否满足使用要求，并将评价结果反馈到材料设计和材料制备中的综合技 术f g m 由于组成和性能是梯度变化的，因而不能采用常规的测试手段来评价其性能。目前国 内外尚无统一的评价标准“”f g m 的评价方法主要集中在功能梯度材料的力学性能和耐热性能 评价上，因为最初提出f g m 概念的目的是为了开发用于航天飞机的表面热障材料和燃烧室壁超 高温材料，因此关于f g m 的热性能和力学性能人们开展了大量的研究工作，主要研究了适用于 功能梯度材料的热障性能的测试方法、抗热疲劳和热冲击性能测试方法。例如用于新型航天飞机 的热应力缓和型f g m 的性能评价一般包括：( 1 ) 局部热应力评价：采用激光、超声波等技术来评 价局部热应力的分布；( 2 ) 隔热性能评价：主要模拟实际环境进行实验，如高温落差实验、高速回 转加热场评价实验等；( 3 ) 破坏强度评价：包括小型冲孔实验、热冲击评价及热疲劳评价等这些 评价技术还停留在f g m 物性值试验测定等基础性的工作上。由于f g m 的特性评价涉及熟力学、 流体力学、材料力学、材料工程等不同领域，所以只有通过这些领域的通力协作才能建立准确评 价f g m 特性的一整套标准化试验方法，并将有关测试结果及时反馈给材料设计部门并建立f g m 的热物性数据库。除了力学性能、热学性能分析，对f g m 的电学性能以及其它物理、化学性能的 分析对于f g m 的实际应用是很有用的，因此有必要对以下问题进行研究： ( 1 ) 热稳定性研究，在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题； ( 2 ) 热绝缘性能研究； ( 3 ) 热疲劳、热冲击和热震性： ( 4 ) 抗极端环境变化能力； 8 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 ( 5 ) 其它性能评价：热电性能、压电性能、光学性能、磁学性能等的评价方法 1 3 4f g m 的发展趋势 f g m 是基于航空航天技术发展的需要提出来的，由于f g m 具有均质材料、复层材料无法比 拟的结构连续变化、适应环境和可控的优点，应用范围越来越广泛。国内外学者为开拓其制备技 术和应用领域进行了大量艰苦而卓越的工作，f g m 作为材料研究领域的一项新课题正被不断的 发展和完善，如制各技术由高温向低温发展，f g m 尺寸由小工件向大工件发展等，今后f g m 研 究工作仍将以材料设计、制备和性能评价为中心，并可能朝以下的方向发展： ( 1 ) f g m 的性能数据库和设计理论进一步完善，许多新的方法、新的技术应用于f g m 的设计，如 利用神经网络、有限元法、分形理论、计算机辅助设计专家系统对f g m 进行模拟设计； ( 2 ) 不断探索f g m 制备的新方法、新工艺，开发出大规模和形状复杂的f g m 制各技术，改进f g m 现有的制备工艺条件，使f g m 应用领域不断扩大，并逐步向工业实用化发展； ( 3 ) f g m 性能评价需建立合适的评价标准、评价原理，方法和评价设备也需要进一步开发和完善； ( 4 ) 随着制备技术的不断完善，应用范围的不断扩大，新的f g m 体系必将适应不同需要而开发出 来，f g m 在材料科学中广阔的应用前景必将受到应有的重视。 1 4f g m 的应用 f g m 通过金属、陶瓷、塑料等不同有机和无机物质的巧妙结合，可广泛应用于各种要求的 材料领域，不再局限于最初提出这一概念时的热应力缓和型结构材料范围。涉及到生物、医学、 电磁、光学、能源、核能等领域。在此期间，f g m 也完成了由最初时的结构型材料向功能型材料 拓展在许多耐高温、耐磨损、耐腐蚀结构材料的应用中，f g m 被认为是必不可少的，具有广阔 的应用前景 f g m 的一个最直接应用就是航天飞行器材料，即热应力缓和型功能梯度材料单一的铝合 金根本不能胜任高速飞行的航天飞行器，能够长时间暴露于高温环境下的耐高温，高比强度的梯 度复合材料亟待开发。另一个f g m 应用前景很明朗的领域是能源学科，随着天然有机能源的日 益短缺和地区分布不均，人们不得不探索安全利用核能的方法。各种核电站纷纷建起，但是都存在 共同的问题：一是高温热源，引起温度梯度从而导致材料内部热应力分布不均；二是放射性，必然 引起材料活性化、放射化而损伤；三是反应堆放出的高热要靠高速流体去冷却，比如钠冷却，高活 性钠很容易与材料起化学反应，引起材料腐蚀，造成核泄漏。目前的做法是定期更换防护材料，但 是更换周期短，大量耗费人力，物力和财力因此，研制各种f g m 以改善核反应堆的装备性能，尤 其是防护性。以提高核反应堆的安全可靠性就显得尤为必要了在生物医学领域，以f g m 制造的 人造器官、人造牙齿、人造骨骼、人造关节等，具有极好的生物相容性、高的柔韧性、高的可靠 性、高的功能性、高的结合强度。在化学领域用f g m 制成的高分子膜、催化剂、反应容器、燃 烧电池等具有耐热、耐腐蚀、高强度、高寿命等优点。在光电工程领域，若大功率激光棒、复印 机透镜、光纤接口等用f g m 制备，则可消除热应力增强、重量重等缺点，故而可用于制备光纤 元件、一体化传感器、声音传感器等。在声、光、电、磁领域，通过制备梯度化的材料，使得材料 9 宁夏大学硕十学位论文 第一章绪论 的声、光、电、磁特性也随之发生梯度变化，这样可在半导体材料中实现光吸收特性的梯度化，发 光特性的梯度化、折射率的梯度化、电气特性的梯度化，可在医疗，诊断仪器中实现音波梯度化等 等在民用及建筑领域，f g m 所制成的纤维衣物食品，建材等具有隔热防寒、营养保健、减震 降噪等多项功能。 功能梯度材料应用领域 材料组合 热航天飞机的耐热材料陶瓷一金属 应陶瓷发动机玻璃一金属 力 耐磨机械部件陶瓷一陶瓷 缓 耐热机械部件塑料一金属 和耐腐蚀机械部件金属一金属 加工工具 金刚石一陶瓷，金刚石一金属 体育用品。建材 碳纤维一金属，塑料一塑料 原子能反应堆结构材料 核 核燃料包壳材料轻元素，高强度材料 材 核聚变反应堆内衬材料耐热材料，保护材料 料 放射性防护材料 医人工牙根羟基磷石灰一氧化铝 学人工骨头羟基磷石灰一金属 生人工关节羟基磷石灰一塑料 物人工器官不同种类的塑料 功 人工血管不同种类的塑料 能 电陶瓷滤波器 不同种类的压电陶瓷 气压电陶瓷驱动器 压电陶瓷一塑料 磁超声波振子 性吸铁石，磁性材料金属铁磁体 功超电导导线超电导陶瓷一金属 能磁盘光盘多层磁性膜 传感系统传感器 陶瓷塑科 器和灵敏度分布传感器 s 卜金属 驱动声像耦合功能陶瓷一金属 器多功能元件不同种类的传感材料 光 防反射膜透明材料和玻璃 学 光纤，镜片折射率各不相同的材科 功多色发光元件 不同的化合物半导体 能 玻璃激光稀土元素的浓度变化 1 0 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 化 多功能分离膜不同种类的塑料 学化工车间的结构材科 耐腐蚀材料一高强度材料 功徽生物的载体酵母一微生物 能触媒 不同陶瓷 磁流体发电高熔点金属一陶瓷 能电极，内壁金属一陶瓷 源热电发电金属硅化物 材燃料电池导电陶瓷一固体电解质 料地热发电耐热，耐腐蚀材料一金属 太阳发电 s i c s i c , e 表1 2 功能梯度材料的应用及材料组台 1 5 本文的研究目的及主要内容 由于功能梯度材料成分或结构不均匀，要搞清楚梯度分布的组织与力学性能的关系和建立 可靠的力学性能评价方法，必须以充分准确的性能数据库为前提，从简单的材料模型做起，排除很 多复杂的因素。梯度材料的强度理论是一个很复杂的力学问题，其破坏形态与组分材料的各种破 坏形式有关，可能产生破坏的形态有基体开裂、界面脱粘、增强颗粒的破碎、增强相从基体上剥 落、基体上空洞的形核与聚集、总体与局部失稳破坏以及整体断裂破坏所以影响因素多、破坏 形式复杂、数据也分散，理论预测的难度比较大，虽然学术界进行了较多的研究，但结果仍然不 能令人满意，所以有必要更广泛、全面、系统和深入地对此研究。 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 设计多层不同质量百分含量的均质s i c 颗粒增强铝基复合材料，调整工艺参数，采用粉末冶 金法制备s i c 颗粒增强铝基复合材料。根据复合材料基本力学性能的实验测定出均质单层复合材 料的基本力学性能参数，其刚度特性有弹性模量e ，泊松比，强度特性有拉伸强度x 压缩强度 y 同时测试了复合材料的线膨胀系数。为第四章梯度复合材料的强度预测提供可靠的数据。并 采用中间夹层扩散焊接的方法将不同质量百分含量的均质单层材料焊接呈阶梯状梯度复合材料。 ( 2 ) 根据经典板壳理论，考虑热载荷和机械载荷共同作用，假设材料性质( 弹性模量、泊松比、膨 胀系数等) 为沿板厚度方向坐标的幂函数，推导了功能梯度矩形板弯曲的平衡方程，并建议采用等 效温度载荷法进行求解计算 ( 3 ) 将经典的复合材料层合板理论运用到功能梯度材料中，假设梯度复合材料单层板之间焊接 良好，中间夹层很薄，其本身不发生变形，并且梯度层合板仍然符合薄板假定，整个层合板等厚 度采用h i l l 蔡准则作为板的破坏准则，从理论上计算功能梯度材料的强度 1 1 宁夏大学项十学位论文第二章梯度复合村料的制各 第二章梯度复合材料的制备 2 1 基体、增强体的选择及制备工艺的设计 制造材料的目的是为了使用材料，材料设计一般都是为了提高材料某一主要方面的性能，发 挥复合材料“扬长避短”的作用。 ( 1 ) 基体的选择：如要求金属基复合材料具有商的比模量、高的比强度，一般选择铝、镁、钛及 其合金作为基体，如要求复合材料的耐热性好、高温强度高一般选择镍、铌等金属作为基体“”。 本文选择性能良好并且熔点较低的铝作为基体。实验中所用铝粉纯度为9 9 ，平均粒径为8 9 z m 。 ( 2 ) 增强体的选择：增强体的选择需要考虑相容性、弹性模量、硬度、密度、熔点、热稳定性、 热膨胀系数、尺寸、形状及成本等问题。因此金属基复合材料一般选择比模量和熔点较高的无机 陶瓷和金属作为增强体，增强体分为颗粒增强和纤维增强。常用无机陶瓷增强纤维按其增强效果 排列a 1 2 0 3 s i c c b ，b 纤维最好陶瓷纤维脆性大，一般选用塑性较好的铝、镁、钛等做基体 金属纤维一般用做功能材料的增强体，常用的有不锈钢纤维、钨纤维等常用的增强颗粒有陶瓷 颗粒a 1 2 协、s i c 、t i c 等，金属硬质颗粒m o 、w 、c r 等，非金属颗粒c 等，其中a 1 2 0 3 、s i c t 为常 见，因为他们价格低廉，且用其增强的铝基复合材料易加工，具有良好的力学性能和尺寸稳定性。 本文选择具有较好物理性能、原材料成本低且来源广泛的s i c 颗粒作为增强体实验中所用s i c 颗 粒为经过处理的绿色s i c ，由西北第二民族学院粉体材料与特种陶瓷重点实验室提供，粒径为 2 0 卅图2 1 所示为经过处理的s i c 颗粒的微观形貌，两幅照片为不同倍率下的形貌图： 图2 碳化硅颗粒微观组织形貌 ( 3 ) s i c 颗粒增强触基复合材料具有高比强度和高比刚度、高弹性流变强度和蠕变强度、良好的 抗氧化和抗腐蚀能力、耐磨、耐疲劳、低热膨胀系数、低密度、高微屈服强度、良好的尺寸稳定 性和导熟性等优异的力学性能和物理性能，可广泛应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育运 动等领域从上世纪8 0 年代初开始，世界各国竞相研究开发这类材料，并从材料的制各工艺、微观 组织、力学性能与断裂行为等角度进行了许多基础性研究工作，取得了显著成绩。 为保证复合材料的优良性能的实现，增强体和基体应按一定的原则进行复合：( 1 ) 增强颗粒应 宁夏大学硕士学位论文 第二章梯度复合材料的制各 高度弥散在金属基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动；( 2 ) 颗粒直径的大小要合适；( 3 ) 增 强颗粒的体积含量一般不超过3 0 ，数量太少则起不到强化作用；( 4 ) 增强体与基体之间应有一定 的粘粘作用，使两者之间得到比较理想的具有一定结合强度的界面。此外，铝基复合材料的性 能还在很大程度上取决于增强体的尺寸、含量、形状等因素 颗粒增强复合材料的制备方法有固态法、液态法和半固态复合铸造法三大类，其中粉末冶金 法属于固态法，它是将具有一定粒度及粒度组成的金属粉末或金属与非金属粉末，按一定配比均 匀混合，经过压制成形和烧结强化及致密化，制成材料或制品的工艺技术它是冶金学和材料成形 工艺的交叉技术，又被称为金属陶瓷法。它可以调整增强体与基体的比例，制备出成分均匀，无偏 析现象的复合材料。此法适用于工业生产，零件尺寸不受限制。由于粉末冶金工艺有其独特的优 越性，且粉末冶金材料及其制成品具有许多特殊性能，如良好的减摩性、多孔性、耐热性、耐磨性、 密封性、电磁性及过滤性等，目前已广泛地应用于