（材料加工工程专业论文）wmoti功能梯度材料组成连续的设计、致密化及制备.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本论文先简单介绍了功能梯度材料的诞生与发展，从制备方法和应用领域 等方面论述了国内外功能梯度材料的研究现状。其中颗粒共沉降法由于可以消 除功能梯度材料的界面，实现功能梯度材料在组分上的连续分布，成为一种重 要的功能梯度材料的制备方法。 从颗粒共沉降的立场出发，分析了影响沉积体组成分布的主要因素。结果 表明：当有两种不同种类的粉末a 、b 共同沉降时，沉积体的组成分布与单位时 间内a 、b 粉末的沉降量比存在定量关系，只有单位时间内a 、b 粉末的沉降量 比变化时沉积体的组成分布才发生变化。在此基础上结合选用的颗粒共沉 降的物理模型，通过理论推导，建立了粉末特性( 粉末的密度、粒度以及粒度分 布等) 和沉降参量( 悬浮液的密度、粘度和高度以及清液的高度等) 同沉积体组 分分布之间的定量关系。通过计算机数值模拟，可以计算要制备指定结构的功 能梯度材料各组分的质量和粒度分布。 结合共沉降法制备功能梯度材料的特点，从致密化的机理选择，烧结剂种 类、含最和粒度的确定烧结机制的确定等三个方面对其致密化思路进行了设 计，并对论文选用的w - m o - t i 体系的复合材料的致密化进行了初步研究。实验 结果表明：烧结助荆n i 、c u 的添加有助于w 、m o 合金致密度的提高，在烧结 致密化过程中，c u 主要起到溶解n i 的作用，n i 溶解主晶相促进致密化的进行。 当添加的n i 质量百分含量为3 ，c u 质量百分含量为2 时，w 、m o 合金在 1 4 7 3 k 时可以达到完全致密；不同比例的w - m o 、m o t i 合金也达到完全致密。 n i c u 固溶体显示出与n i 、c u 烧结剂同样的活化烧结作用。因此确定致密化 w - m o - t i 功能梯度材料的条件为添加质量百分含量5 的n i c u 固溶体 ( n i ：c u = 3 ：2 ) ，烧结温度为1 4 7 3 k 。 通过对实验工艺，如沉降设备、原料粒度及粒度分布的控制、悬浮液浓度 等方面进行精细的设计，在理论设计和致密化研究的基础上，通过颗粒共沉降 得到梯度沉积体，并通过真空热匿烧结得到w - m o - t i 功能梯度材料。结果表明： 制备得到的w - m o - n 功能梯度材料表现出良好的梯度分布和平整性，在厚度方 向上的主组分的分布与设计要求基本一致，在垂直厚度方向上各组分的分布基 本相同。在确定的致密化思路和条件下，得到各部分整体致密的w - m o - t i 功能 武汉理。l 大学硕士学位论文 撵度耱辩 荧键词：功能撵发材料；颗粒共沉降：理论设计；致密纯；实验设诗 堡堡墨三查堂堡主兰堡笙茎 a 8 s t r a c t i nt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o n ，t h en a i s s a a c ea n dd e v e l o p m e n to ff u n c t i o n a l l y g r a d e dm a t e r i a l ( f g m ) h a v eb e e ni n t r o d u c e d ，a n dt h er e s e a r c ha c t u a l i t i e sh a v eb e e n d i s c u s s e df r o mt w oa s p e c t s ：p r e p a r a t i o nt e c h n i q u ea n da p p l i c a t i o nf i e l d s a m o n g t h e s em e t h o d sp a r t i c l ec o s e d i m e n t a t i o ni so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gw a y st o f a b r i c a t el a r g e - $ c a l ep r o f i l e sw i t hc o n t i n u o u sa n ds m o o t hv a r i a t i o n si nc o m p o s i t i o n a n dm i c r o s t r u c t u r e f r o mt h e p a r t i c l es e t t l i n gp o i n t o fv i e w , t h em a i nf a c t o r s a f f e c t i n g t h e c o m p o s i t i o n a ld i s t r i b u t i o n so f s e d i m e n th a v eb e e n a n a l y z e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t t h e r ee x i s t sq u a n t i t a t i v er e l a t i o nb e t w e e nt h ec o m p o s i t i o n a ld i s t r i b u t i o n so f s e d i m e n t a n dt h es e a l i n gq u a l i t yr a t i oo ft h ep o w d e r sa a n d b o n l yt h er a t i ov a r i e sd o e st h e c o m p o s i t i o n a l d i s l r i b u t i o r t lo fs e d i m e n t c h a n g e o n t h eb a s i so ft h e a n a l y s i s a b o v e m e n t i o n e d , t h eq u a n t i t a t i v ef e l a t i o n sb e t w e e n 也ec o m p o s i t i o n a ld i s t r i b u t i o no f s e d i m e n tb o d ya n di n i t i a l e x p e r i m e n tp a r a m e t e r si n c l u d i n gp o w d e rc h a r a c t e r i s t i c s ( d c m i t y ，s i z ea n ds i z ed i s t r i b u t i o ne t c ) a n ds e t t t i n gp a r a m e t e r s ( d e n s i t ya n d v i s c o s i t y o fs u s p e n s i o n , h e i g h t so fs u s p e n s i o na n d l i q u i d , e r e ) l m v e b e e ne s t a b l i s h e d c o r r e s p o n d i n gt ot h ep h y s i c a lm o d e ls e l e c t e d 髓eq u a l i t i e sa n ds i z ed i s t r i b u t i o n so f c o m p o s i t i o n sc o r r e s p o n d i n gt os p e c i f i e dc o m p o s i t i o n a ld i s t r i b u t i o no ff g m c a nb e c a l c u l a t e dv i an u m e r i c a ls i m u l a t i o n s c o m b i n i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e 蠡b f i c a t i o no ff g m b y p a r t i c l e c o - s e d i m e n t a t i o n ，t h ed e n s i f i e a t i o no ff g m h a sb e e nd e s i g n e df r o mt h l 世e a s p e c t s ： t h ed e a s i t i c a t i o n m e c h a n i s m ，t h ec o r r e l a t i v ep a r a m e t e r so ft h ea d d i t i v e sa n dt h e s i n t e r i n gs c h e d u l e s u b s e q u e n t l y , t h ed e n s i f i e a t i o n o ft h e w - m o - 髓s y s t e m c o m p o s i t e sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d 曩豫e x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ep o w d e r s n ia n dc uc a n p r o m o t et h es i n t e r i n gd e n s i t i e so fw a n dm o a l l o y s i nt h ep r o c e s s i n g o f s i n t e r i n g ，c up o w d e r s m e l tt ob e c o m e l i q u i da n dn i ，d i s s o l v e di nl i q u i dc u , s h o w s m o r e a c t i v a t i n gs i n t e r i n gf e a t u r et h a nt h es o l i dn i 。t h ef u l ld e n s i t yw m u dm o a l l o y s c a nb eo b t a i n e du n d e r1 4 7 3 k 一3 0 m p a - l hc o n d i t i o n si n 氛v 翟吼m mf n a c _ ew h e nt h e w e i g h tc o n t e n to f n ii s3 a n dt h ew e i g h tc o n t e n to fc ui s2 a n dt 量艟w - m oa n d 武汉理工大学硬士学位论文 m o 一弧a l l o y so f d i v e r s ec o m p o s i t i o n sc a nr e a c hf u l ld e n s i t i e sa tt h es a m ec o n d i f i o n s t h en i c us o l i ds o l u t i o nh a st h es a m ef u n c t i o na sn ia n dc ua d d i t i v e st op r o m o t et h e d e n s i f i c a t i o no fw m o t is y s t e mc o m p o s i t e s o nt h eb a s i so ft h es t u d y , t h ec o n d i t i o n o f d c n s i f i n gt h e 、肌m o mf g m i s a d d i n g5 的n i c us o l i ds o l u t i o n ( n i ：c u = 3 ：2 ) a n dt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei s1 4 7 3 k t h ee x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e s ( s u c ha ss e d i m e n t a t i o n e q u i p m e n t c o n t r o l l i n gt h e s i z ea n ds i z ed i s t r i b u t i o no fp o w d e r s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fs u s p 6 n s i o n ) h a v eb c c n d e v i s e ds u b t l yo nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n dd e n s i f i c a t i o nd e s i g n ，t h ew - m o t i f g mh a sb e e no b t a i n e db y p a r t i c l es e t t l i n ga n dh o tp r e s s i n gs i n t e r i n g t h es t r u c t u r e s o f s p e c i m e n w e r eo b s e r v e d b y e l e c t r o n p r o b e t h e r e s u l t ss h o w t h a tt h e c o m p o s i t i o n a ld i s t r i b u t i o n sa l o n gt h et h i c k n e s so ft h e 、 ，- m o t if g ma l ei nf a i r a g r e e m e n tw i t ht h ed e s i g n e dv a l u e s ，a n dt h ee l e m e n td i s t r i b u t i o n sa l o n gt h ev e r t i c a l d i r t i o no ft h et h i c k n e s sa r ea l m o s tt h es a n l er e s p e c t i v e l y t h ew m o t if g m a l s o r e a c h e st h ef u l ld e n s i t yu n d e rt h ec e r t a i nc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：f g m ；p a r t i c l ec o - s e d i m e n t a t i o n ；t h e o r e t i c a l d e s i g n ；d e n s i f i c a t i o n ； e x p e r i m e n t a ld e s i g n 武汉城丁大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 功畿梯度材料 l 。l 。l “梯度”思想自然的启示 自然界中的许多物质，如贝壳、竹、树木、骨等，其内部组织或结构是逐 激交纯豹，与之耱俘鹃功髓或径辘瞧困噩乏莹瑷菜耪澈交灌。鹜l ，l 给窭翳是生溪 中常见的竹子横断面的宏观结构和显微结构照片i “。我们可以清晰地看到，竹壁 缀织中露滚了缭管寒，蒺浓度淤嚣厚度方囱圭终至内逐渗减，、。拔现代零雩辩懿 角度看，竹壁实质上是一种非均质的高分子基艇合材料，维管策是其中用于增 强增韧煞长纾维，它溪浮发方囱土浓度分毒豹不堙匀蛙抟理出誊季秘内郝组成戒 分的非均质性，或者说体现出一种“梯度”的绍构。竹子既具有高强度又具有 离翅性的特点霹戆正是依赖于其内在的这耱“攒发”结擒。 自然界中这种基于缀成成分或组织结构的渐变而获得的优弹特性以及性能 上豹濒交对于人们设计和构造耨型a # 均质复合材料一一功能梯魔材料 ( 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 ) 有糟直接的启示。 砷下随耐f e 融麝草e 峨矗n 獭r o u g h嘞e 僻m 舶l o t h es t e m o f 轴档o b a m b o o 采v a 嚣u i 辩缸u 喇l e 图1 1 竹蹙断面的宏观结构和显微结构 f i g i - 1m a c r o s t r u c t u r ea n dm i c m s t r u c t u mo f t h ec r o s ss e c t i o nf o rb a m b o o 1 1 2f g m 概念的诞生与发展 f g m 的正式概念怒在1 9 8 4 年前后由日本学者平并敏雄、新野正之、渡边 武攫理工犬学硕士学位论支 茏三等率能提出鳃壮“。 f g m 一开始旨在解决新一代航天往返飞机热保护系统中出现的许多闯豚， 即：对予像靛天飞机驰枧俸井壳和燃烧室蠹壁材料，在接触嬲溢蕊一铡使瘸晦 瓷稀瓣，以疆嵩萁稀热往糍、耐熬健能纛嵩温拣氧纯缝能，褥在滚俸燃辩冷却 的另一侧，使用金属材料给予其商热传导性能莘盯足够的机械强度，并让中间过 渡层的缎成成分、显微结构以及性能逐渐变化，从而得到具翁热应力缓和特性 囊f g m i 秘。 在这种材辩结构横式的引导下，近二十年来f g m 的研究取得了很大i 菠展。 继日本之聪中国、黄国、德国、俄罗斯、比利时、英国、法国等国家也相继 开展了这方面的研究工作。更弓l 入淀嚣的是每两年强开一次鲍f g m 国际磅涎会， 灸吾銎辩研工作者提供了一个交流激新成采豹舞台。该研讨众至今已经成功举 办了七届 6 - 1 2 j 。 我国在这一领域的研究起步稍落后予日本，1 9 8 7 年原武汉工业大学囊澜露 教授获分予本孚复会惫疫搀窭了瓣m 豹愚戆耧爨灌，劳在金满一羯瓷系菱会刃 具的研究中开始了探索性的工作 1 3 1 。十多年来我溺f g m 的研究有了长足的进 步。目前，许多高等院校、科研院所都在f g m 的研究中做了很多卓有成效的工 佟。 今天，“梯度”酌概念作为一牵申额颖静材辩设计思想和结构控翱方法岂不再 局限于热廒力缓和功能，人们已着手进行f g m 在篡它一些应用领域的研究工作， 如赢效率、宽滠域热电转换型f g m 、生镌活性f g m 、光学遴邂f g m 、变黻抗 鍪f g m 毅及奄学、磁学缝筏f g m 等等p q 。f g m 豹缝戒也巍聚耱豹金耩淹瓷 体系扩展到了金属金麟、陶瓷陶瓷、高分子离分子、金属商分子、陶瓷黼分 子等。拨拓展后的f g m 定义可表述如下：f g m 是指一类在结构和组成要豢上 连续或毽连续交纯，获嚣获褥挂戆鞠瘦子绪构专缀残交健恧激变筑菲筠震笺含 材料。翼，义上说，梯魔结鞫包括滚续结构、多鼷结构( 准涟续结构) 以及连 接体结构，如图1 2 所涿。 l 。2f g m 的主要磺究内容疑现状 f g m 的研究内容，一般包括兰个方面：一是f g m 的设计与优化，二是f g m 的制备；三是f g m 的特性评价。从另一个角度赣，其研究生凝集中在f g m 熊 残受澍螽戳及特定矮域麴瘟霜嚣方瑟。这彝f g m 魏猿特毪爰努不开麴，一方蕊， 2 武汉理工大学硕士学位论文 d e f l n i t l o no ff g m 1 a ) b ii c ) g r a d e ds t r u c t u r em u u l l 准r j o i n i n gc o a t i n g 图l - 2f g m 的广义定义 f i e 1 - 2b r o a dd e f i n i t i o no ff g m f g m 作为一种新型的材料，其结构不同于传统的均质材料，因此其成型制备成 为其研究的主要内容之一；另一方面。随着研究的不断深入，发现f g m 可以在 很多领域得以应用，因此其在特定领域的应用研究也成为f g m 研究的热点和重 点。下面将从这两方面分别介绍国内外研究的现状。 1 2 1f g m 的成型制备方法 通过材料制备工艺和结构控制手段实现设计结果，这是f g m 研究的核心。 实现f g m 的组分和结构渐变的手段很多，如果按所制备f g m 的外观尺寸，可 将现有成型技术分为梯度薄膜的常i 备技术与块体f g m 的制备技术两类。下面就 根据此分类来介绍常用的梯度结构形成和控制方法。 1 2 1 1 梯度薄膜的制备 基体涂层是一种使基体抗氧化的传统方法，它可以减少热流对基体的作用。 涂层也因它自身或与基体的结合效果，用来增加材料的功能。梯度涂层因其良 好的热应力缓和性受到关注，现在梯度涂层不仅仅用在热应力缓和系统上它 己在很多材料领域得到应用，如电子材料，光学材料，磁性材料和生物材料。 经过多年的研究发展，目前已形成了多种制备技术。其中常见的有以下几种： ( 1 ) 气相沉积法 1 5 - l g j 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，通过 改变沉积气相的组分，使得沉积物的组分在厚度方向上呈梯度变化而得到f g m 。 气相沉积法一般分为物理气相沉积法和化学气相沉积法。此种方法的特点是直 3 武汉理工大学硕士学位论文 竣弱委较为或熟翡技术及设备，嚣褥薅料抟撵痰注囊较好。气蟾沉积法霹割各 大尺寸的f g m 试样，可以制得很薄的梯度涂层，但不能制备大厚度的块体材料， 且设备要求裹，食成速菠低。 ( 2 ) 等离子喷涂 1 9 2 2 l 等离予凑涂法嚣霹获褥超赢溢、怒离逮魏热滚，髓溺辩溶位强瓷难熔糖帮 企属相混合物，最适合于制备陶瓷金属系f g m 。目前应用的方法主要有肆种粒 予擎疆唉射懿取鲶法程弼辩囔袈静单捻法。双等藤予喷捻装萋魏溷1 - 3 所示，其 中一只喷枪喷射盎属粉末，如n i 、m o 等，另一只喷枪喷射陶瓷粉末，如t i c 、 z r 0 2 等。嚣只暖捻与基叛鸯一是踅褒，并藏一定热度， 乍烫霹，一只唉慰量逐 渐减少，另一只则逐渐掰大，至所要求疑，这样在基板上就可形成金属陶瓷组 残交绽斡撵度结构涂层。f g m 艨| 孽特性取决予等离子射流豹遗度分布、粉末终 留时间和熔滴的速度等。可通过调节喷枪结构、喷射电流、喷射压力以及等离 子气体秘类弱喷射热等滋蠢控测。强裁裁用该方法裁备了多个体系的撵波薄膜。 等离子喷涂法可方便地控制粉末成分的组成，沉积效率高，能较容易地获 彳寻大面积的块材，被认必最具鸯应用前最。但该方法制备的试榉孔隙率较大， 朦问结合力小，涂层与灏体问的结合强度不高，易剥落，机械瞧能低，且存在 孔隙率较大，涂聪组织不均匀等缺点。髓着研究的深入，等离子喷涂法在f g m 的帝备中会发挥越来越蘑要的作糟。 圈1 - 3 黢枪式等离子喷涂浚各黼 f i g 1 3e q u i p m e n to f d o u b l e g u np l a s m as p r a y 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 电化学法粕l 随着现代工业和科学技术的发展，电化学法在材料表面改性技术中的应用 范围不断扩大，并已渗入到f g m 的制备领域。电化学法是根据电解质溶液的特 性和物质发生电化学反应的难易程度不同，利用电解作用和，或化学反应使溶液 中不同的离子同时还原，并沉积在基体表面形成镀层，随着加工过程中电流密 度和电解质浓度的变化，镀层的成分和结构会发生相应的变化。 1 2 1 2 块状f g m 的制备技术 经过近= 十年左右的研究，制各f g m 的方法已经很多，但是如何制备块体 f g m 仍然是一个难题。目前，研究比较多的方法主要有： ( 1 ) 粉末冶金法 2 7 - 2 9 l 粉末冶金法是将金属、陶瓷、晶须等颗粒状原料按梯度铺成层状结构，经 压实、烧结而制成f g m 的方法。通过控制和调节原料粉的粒度分布和烧结收缩 的均匀性，可获得各种结构的f g m 。这种工艺设备简单，比较适合制备大体积 的材料。其主要缺点是工序比较复杂，需要对保温温度、保温时间和冷却速度 进行严格控制，成本较高，并且制得的f g m 有一定的孔隙率，该方法主要适合 于形状简单的f g m 部件。 ( 2 ) 离心铸造法f 3 们l 】 离心铸造法是在离心力的作用下，利用不同合金组元的密度差异，使凝固 后的成分组织从外到内呈一种或多种成分梯度变化来制备f g m 。这种方法的关 键在于设计成分，使凝固初期生成的初生相、次生相在离心力场的作用下沿径 向梯度式连续分布。此种方法设备简单，生产效率高，成本低廉，能够制备高 致密度、大尺寸的梯度功能材料。该法已成功制备出a i n i 、a i s i c 、a l a l ，n i 、 a l ，m 3 f e 等体系的f g m 。 ( 3 ) 注浆成形法 3 2 - 3 3 】 注浆成形法是通过分层浇注不同混合比的浆料到阴模中得到f g m 的。其技 术关键是样品成形后干燥时避免出现收缩不均引起的变形和开裂。另一种方法 是将阳模浸入变化浓度的悬浮颗粒浆料中，每个梯度层的厚度由浆料浓度、浸 泡时间和干燥温度决定，而且每一步浸泡后都用冷静压压实。该方法比粉末冶 金法在样品的尺寸和形状上有更大的灵活性，但产率却低得多。该方法己用柬 5 茎墨里三查芏要主望堡堡奎 制各a 1 2 0 9 z r c h 、z r 0 2 n i 、a 1 2 0 3 w n i c r 蹲体系的f g m 。 1 2 2f g m 的应用领域 我们已经知道，梯度结构以及由此带来的特殊效应越来越为人们所关注，除 开前面谈及的f g m 具有的热应力缓和功能和异种材料结合功能，它们在其它一 些领域有很多的潜在应用。表1 - 1 列出的是f g m 的潜在应用领域和可能的材料 组合。 表1 - 1f g m 的潜在应用领域1 3 4 l 期待的功能应用领域材料组合 航空飞机的超耐热材料陶瓷：金属 陶瓷引擎玻璃：金属 缓和热应力功能耐磨耗损性机械部件塑料；金属 及结合功能耐热、耐蚀性机械部件异种金属；陶瓷 加工工具金刚石：金属 运动用具、建材碳纤维：金属：塑料 原子炉构造材料 核功能核融合炉内壁材料 轻元素；耐高温材料 放射性遮避材科 耐热材料；遮避材料 人工牙齿牙根磷灰石；氧化铝 医学、生物体的功人工骨、关节磷灰石；金属；塑料 能人工内脏器官人工血管异种塑料 补助感觉器官硅芯片：塑料 陶瓷过滤器异种压电陶瓷 超声波振动子压电陶瓷：塑料 i c 硅：化合物半导体 磁盘 应变超晶格材料 电、磁功能磁头多层磁性薄膜 电磁铁金属；铁氧体 超导材料超导陶瓷：金属 电磁屏避材料塑料；导电性材料 高密度封装基扳氮化铝等 防反射膜透明材料和玻璃 光纤：透镜异种折射率材料 光学功能 多色发光元件异种化合物半导体 玻璃激光稀土类浓度梯度材料 6 藏汉理工大学礅士学位论文 多琏戆分离膜雾秘爨i 毒 i 馥：王设备结撺耀耪耩黻藤镶秸辩；搿溢榜辩 纯学功能 生物载体酵母菌；微擞物：载体 催化剂异种陶瓷 黻配一体化传戆器淘瓷：黧挝 分枣砖惑器醚；衾耩 健感器装嚣 酱响耦合的改薄功能陶瓷：金属 多功能元件异中种传感器 磁流体发电 耐高温金属：陶瓷 壤极、渣痰麓金属：瓣瓷 热毫发嚷金淹蘸玩物 等能源有关领域 燃料电池替电陶瓷；圆体电解质 地热发电耐热、耐腐蚀、阉体电解质 太明能电池硅；锗；碳他硅 1 2 3 连续f c 持v i 在动高压物理中的应用 在天体锈避、固髂兹璩等磁究领域巾，往往要精确了解摄端藏滋条 孛下耪 骚静行海霸韵波特往。在瑗有的静高莲技术不齄满足蜜验要求静条件下，醴狰 击波加载技术为起点的动满压技术的开黢与应用则显得极为迫切与重要。传统 的冲击波加载采用的是均质飞片，其击辩后立即在疑内产生具有隧峭波阵面的 狰毒渡，傻靶爨基力怠裁主舞，对靶戆艨维表凌必一疆粒鞭遥稷。裔髭产生懿 不可逆热耗散效应，引起辩板的熵增和濑升，使飞片和靶板出现熔化或汽化， 不利于对靶材料的深度压孀及获得更高聪力，研究表明，如果使飞片材料的波 激获澄其飞嚣方向按一定栽律连续增熬，那么飞冀鸯麓蓐悫在靶凑产生一个较 弱静初始蕊缩，以后随着波黻抗值的连续增加，将东靶内产生其鬻较缓陡度波 阵面上升前沿的压缩波，得到熵增很小的压缩效果，印产生一个具有缓慢压力 上舞前沿盼搀等熵压缩波，实现对靶扳的准等熵援缎。摆对予冲赘：8 曩载焉言， 獠等壤垂缩对裁援的魏载楚逐步豹。由予热载速率豹降低，壶不霹遂热耗散掰 q l 起的热效应成分将减少飞片的动能w 以最大限度地转换为对靶的压缩能。 遨种冲击波阻抗值沿飞行方向连续增加的飞片材料，称为波阻抗梯艘飞片。 已囊爨磷究工终表鞠，警滓毫波戮一定速度在耪辩串传播程，莛渡疆撬毽 岛材料的密度和冲击渡在材j i 沣中的传播速度成正磁。因此飞片豹阻抗梯度纯可 以通过其密度溅组分韵梯度化来实现。 7 武汉理工大学硕士学位论文 近些年来，武汉理工大学张联盟、沈强、王传彬等人利用粉末冶金、平面 焊接等方法制备出了梯度飞片材料，并在动高压领域中应用，取得了可喜的成 绩p 5 m l 。但是由于粉末冶金、平面焊接等方法制备的f g m 在结构上是准连续的， 其中存在很多界面，这些界面会对材料的性能以及其应用效果产生很大的影响。 总之，无论从热应力缓和的程度上，还是从满足上述领域对f g m 性能要求 上，都需要寻求一种新型技术来实现f g m 组分和结构的连续化。而共沉降法的 出现为解决这一难题带来了曙光。 1 3 共沉降法制备f g m 的研究进展 共沉降法是一种新型的制备f g m 的方法，其依据的原理是层流状态下的 s t o k e s 自由沉降公式： ( ，：皇：兰鱼型! 丑型2 1 8 刀 其中u 表示颗粒的沉降速度；d 表示颗粒的粒径：玎表示悬浮液的粘度；g 表示重力加速度。 由式1 1 可知：固体颗粒在液体介质中的沉降速度与颗粒的粒径大小、颗粒 的密度以及液体介质的密度和粘度有关。通过控制颗粒的粒度分布和密度以及 液体介质的密度和粘度，就可以控制颗粒的沉降速度。当两种粉末颗粒共同沉 降时，就可以通过控制它们的质量和速度来控制它们单位时间内的沉降量。也 就是说。通过控制原料粉末的粒度分布和沉降过程中的工艺参数，就可以获得 组分连续变化的f g m 。 首先将该方法应用于制各f g m 的是德国的t j u n g l i n g 等人，他们于1 9 9 4 年第三届国际f g m 研讨会上提出该方法的设计思想、发展优势以及存在的问题， 并成功的制备了s i c c u ，s i 3 n 棚, 4 0 组成连续变化的f g m l 4 。之后，各国学者相 继开始对这一方法进行了研究与应用。我国北京科技大学黄继华等用此法制备 了s u s 3 1 6 3 6 y - p s z f g m e 4 “。法国的g k a p e l s k i 等人将共沉降方法与其它工艺相 结合，制各了组成连续变化的a 1 2 0 3 s b ，a 1 2 0 j s n s b 金属一陶瓷f g m l 4 3 t 。 武汉理工大学杨中民等人从理论上对用共沉降法制备f g m 进行了系统的 设计，为用莛沉降法制备组分连续分布的f g m 提供理论依据 4 4 。9 1 。但是在满足 组成要求的f g m 的设计工作，其理论和实验的结合以及整体致密化研究上还有 待进一步的深入研究。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本论文购磷究嚣的与内容 本研究旨柱利用共沉降方法设计并制备组分( 密度) 连续变化且整体致密 的f g m 。其主要内容是： ( 1 ) 彩戒连续络稳熬瑾谂设诗 从颗粒熊沉降的角度出发。以s t o k e s 自由沉降公式为理论依据，推导出材 料的组成分布与粉末特性、沉降参量之阐的定量关系，从而建立怒县有较高可 傧液豹、趣含f g m 备组分豹共滚降法涮蚕f g m 豹数学援羹。 ( 2 ) f g m 的整体致密仡设计及复合材率i 致密性的韧步研究 结合共沉降法的特点，对f g m 的懿体致密化的方法进行精细设计。并根据 设计载思路，瓣磁究体系鹃复合越辩弱羧奄纯进抒初步疆究。 ( 3 ) 整体遘缓梯度结构的搿蓼成 通过对擞验工艺，如粉涞特性( 密度、粒度及粒度分布等) 和沉降参数对沉积 钵的结构的影蛹熬磺究与控铡，并通过选择适当的添加裁，割冬锝剿整体连续 懿f g m 。赘邋过蒸压瓷缝实凝j ：砉嚣裁镰f g m 豁整体低温致密纯。 叠 第2 章f g m 组成连续的理论设计 2 1 弓l 言 曩共淀簿法铡善f g m ，爨要控裁的参数缀多，单纯遴过反笈教变实验工艺 参数去畿接实验，研究鼠有很大的盲目性，需要消耗很大的人力物力。因此有 必要先魁筵沉降避程进程理论分掇，找到嚣要剩锯f g m 躬揍定缕构与各实验参 数的定薰关系，将会使我们的研究更具帮目的性。 奉章从颗粒熬沉降的立场出发，分析了影哟颗粒扰隆始主要因素，通过物 璎假设和简化，确立了颗粒沉降的物理模型。教此基础上，通i 建理论摊导，解 明了耪束特性( 粉末的密度、粒成以及粒发分布等) 和沉降参量( 懋浮渡鲍密度、 粘度和高度以及清液的高度等) 间沉积休组分分布之间的定量关系，建立了异 糖颗粒共沉降的数学模型。 2 2 颗粒共沉降的初步认识 如繁章薪述，宙予露体颥粒具畜不同静沉降速度，因诧它们在沉降容器 底部开始堆积的时间不间。通过控制原料粉末的粒度分稚和沉降过程中的工艺 参数，裁可以获镛维分逶绥变纯鹩f g m 。搽么蹙什么参数影螭最终稻备的f g m 的结构，以及这魃影响结构的参数是怎么来影响沉酶的，是我们必须明确的问 遴。下蟊将分耩麓沉降过程，期待有雯深入盼试谈。 2 2 1f a m 中维分含爨的表拳方法 如图2 1 所承的梯度沉积体中。选取一微元作为研究对象，在该微= 既体中， 该徽元捧串缀分麴表示方法零嗣骢有壤爨藿努会整、体积吾势禽爨竣及貔矮豹 爨百分含量。而我们要制备的f c m 的组成分布嫩由密度变化来衡量的，即我们 援说豹交密度f g m ，t n 玩在我嬲骢设计避程孛，选要选墩窝密发交纯等捡豹缝 分的表示方法对这几种表示方法和密度的联系我们可以作如下分析： 1 ) 矮豢莓分会爨 假设在该微凭体中a 组分的密度为九，质量酉分含擞为心，b 组分的密度 淹珐，滕鲞百分含蠢鸯，该徽元俸韵震蠢蠢材。 1 0 武汉理工丈学硕士学位论文 0a b 图2 - i 颗粒沉降过程示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f p a r t i c l es e t t l i n g 则该微元体的体积为 矿：丝+ 绝 pp8 因此该微元体的密度可以表示为： mm 舻歹2 巫i 巫 pp 8 ( 2 ) 体积百分含量 ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) 假设在该微元体中a 组分的体积百分含量为c ，b 组分的百分含量为c 。 该微元体的体积为y 。 则该微元体的质量为： m = v c 。以+ 7 c 日p 口 因此该微元体的密度为： ( 2 3 ) p = 可m ：堕独挚蚂。n 蚂。岛( 2 - 4 ) yv o j b p8 ( 3 ) 物质的量百分含量 武汉理i ：大学硕十学使论文 假设在该微元体中a 组分的分子量为m 。物质的量百分含量为r t 。，b 组 分的分子量为m 。物质的量含量为n 。该微元体的物质的量为n 。 则该微元体的质曩为： m = n x 拧_ m j + n x n 口x m 口 ( 2 - 5 ) 该微元体的体积为： 矿：丝! 丝! 丝+ n 。n b x m b ( 2 - 6 ) pp8 因此则该微元体的密度可以表示为： 口：丝：翌! 生：丝d 盟! 塑：丝g ：巳! 丝丝丝丝! !f 2 7 、 y 型兰生! 丝! j 丝! ! ! 丝户n n m + p 。h 8 m 月 pp8 从上面三种表达方式可以看出，只有体积百分含量与沉积体的密度存在简 单的一次线性关系，也就是说，可以用体积百分含量来表示沉积体的密度变化。 因此在下面的讨论中用体积百分含量来表征沉积体的组分分布。 2 2 2 影响共沉降组分分布的因素分析 假设上述微元体由a 、b 两种组元构成，则在微元体中粉末a 的含量可由 下式表示： c 一2 熹 ( 2 8 ) 其中，c 。表示微元体中a 粉末的体积含量，、分别表示微元体中a 、 b 粉末的体积。 如果该微元体是在f 时间内沉积的，则式2 - 8 可以表示为： c 。彘( 2 - 9 ) 面。石 式中善、皂分别表示单位时间内a 、b 粉末的沉降量，从式2 9 可以看出， ff 沉积体的组成分布与单位时间内a 、b 的沉降量有着定童关系，为了让这个关系 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 更明确，再作如下变形： c a 。南( 2 - 1 0 ) l a t 从式2 1 0 就可以很清楚地看出，沉积体的组成分夼与单位时问内a 、b 粉 末的沉降量比存在定量关系，也就是说，只有单位时间内a 、b 粉末的沉降量比 变化时，抗积体的组成分布才发生变化，而当单位时间内a 、b 粉末的沉降量按 相同的比例变化即单位时间内a 、b 粉末的沉降量比不变时，沉积体的组成分布 是不会发生变化的。 当瓷等一o ，即告_ 0 时，q _ 1 ，即当组分b 单位时间内的沉降量 趋于0 时，沉积体为纯a 组分。 同样，当参等。o 。，即么a t _ 0 时，c a o ，即当组分a 单位时问内的 沉降量趋于0 时，沉积体为纯b 组分。 至此，我们已经知道沉积体的组成分布的变化是由于单位时间内a 、b 粉米 的沉降量比的变化引起的。下面将分析是什么因素影响单位时间内a 、b 粉末的 沉降量比的变化。以求寻找到沉积体的组成分布的变化与实验参数的直接关系。 2 3 异相颗粒共沉降的数学模型 2 3 1 实验选用的物理模型 本研究室已有的研究表明：采用悬浮液直接沉降得不到组分从0 到1 0 0 完 全过渡的f g m ，必须采用如图2 - 2 所示的有清液的模型才能得到完全过渡的 f g m ，鉴于此，本实验也采用这个模型进行研究。 h - t 图2 - 2 颗粒沉降过程示意圈 f i 参2 - 2s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f t h es e 位l i n gp r o c e s s 1 3 武汉理：太学硕士学位论文 2 1 3 2 建立数学模型豹基本假设条件 由予我们建立的数学模型的基础是s t o k e s 自由沉降公式。因此，建立的数 学模型必矮满足s t o k e s 公式的适用条传，帮我们黉作如下假设： ( ) 流降颥粒窝势敝滚均橇为分离裙。 ( 2 ) 沉降颗粒为刚性球体且均匀分散在液体介质中( 即没肖团聚现象) 。 ( 3 ) 髑为颗粒的尺寸很小，在液体介质中瞬阅达到匀速下降状态，忽略鞭粒 翡麓逮过程，诀茏矮粒在滚俸奔凌孛始终浚匀速下洚。 ( 4 ) 在层流状态下，颗粒在重力作用下的运动是稳定的( 即液体介质分子的 热运动对颗粒的运动没有影响) 。 ( 5 ) 忽略因颗粒淀降焉善l 起弱戆浮液体系瓣体妖变凭。 靖予本文所进行静沉终实验，数学模型还散疆下假设： ( 6 ) 忽略颗粒之间的相互作用。( 悬浮液中固体颗粒的体积酉分含量很低， 小予o 3 、 ( 7 ) 忽臻漉莰俸褰发对霰粒茨辩距离懿彰嫡( 淡簿高度送远大予沉积镄鹃浮 度) 。 ( 8 ) 沉积体经烧结飚完全致密，即把沉积体视为颗粒堆积的密实体，忽略烧 缝过程对沅竣体缝努茨影嗡。 值褥；耋意的是，俸上述暇设遏为了建立模型的需要，而实际上是不可能完 全满足的，上述影响豳索的影响将猩论文相关章节中加以论述。 2 。3 3 数学模型的建立 对予一定质量和粒度分布韵固体颗粒共同沉降时，根据冀原料参数和安验 沉降参数。 由式2 1 0 变形褥： y a 广1 地。一1 (211)v 门 、一 勉 由这个公式霹良番窭：知逶一耱耪末摹位辩阕内懿筑骜豢瑷及缀分分l 鸯撞 数，就可以得到另外一种粉末单位时间内的沉降爨。面粉末单位时闯内的沉降 量与该糟求的粉末特性( 密度和粒度分布) 以及沉降参量有着崴接的关系。因此， 撮据一种狳寒盼参数，靛可戳求褥贯终一释耪末靛参数。具体避程熟下： 1 4 垫堡堡三查堂堡生里壁堡塞一一一 选取悬浮液中单一羧弪d 。静粉寒麓磺定霹象 歼始沉降的时间为： f 0 _ 善。婴盟 ( 2 1 2 ) b 2 言2 赢 似 滚簿竞鹳嚣孝海走： p 幽u m 毯d ：g 生a p ( 2 - 1 3 ) - 4 密于是单一粒经豹粉豢流释，整搏淡簿可以看成楚窘这释单一糙径载颗枝 豹悫浮滚静整体下移，又国予是匀速运动，医既蕈越l l 尊稠内豹沉降蠡是一定静。 则该粒径的颗粒单位时间内沉降量为： 竖：旦：m , d ：g & p f 2 1 4 ) 走一毛l 印壤 。 。 蕊甄楚耪宋质量膨帮粒度分布，( d ) 的函数， 鄄： m ，一m - f ( d ：) ( 2 7 1 5 ) 将式2 - 1 5 代入2 1 4 中缮： 垦。m d ；f ( d ) g a p f 1 6 1 出 1 8 帅： 。 事实上，缝数值模拟中，由于粉料中含有的粒度数可以看着照无穷多的， 我翻是选择一定的粒度分露嚣趣避费计簿模撂静，哭爱恕靛度分农分成是够多 的区阊，娣医隅选择的足够小，其误差魂会下降戮足够小。 至此我们已经建立了研究参量之间的关系，根据这个关系通过数值计算 设计，弗通过计算枫摸拟，就可以计算要潮器指定结构熬f g m 各缀分麴质量和 被发分森。其审涉爱受酶数毽诗舞鼙黎笺杂，鎏手茭举是本研究翁鬟点，霞鼗 谯本论文中不作详细介绍和讨论。 2 4 小结 本章通避j i 雩筵沉降过稷鸵分拆，建囊了共沉降法制备f g m 的模型。主要褥 到如下结论： ( 1 ) f g m 枣缎分戆嚣获露分含量与f g m 懿密褒存在麓单熬一次线瞧关系，霹 瑷用体积搿分含量来袋承沉积体神密度交化。 ( 2 ) 沉积体的组成分布与单位对间内a 、b 粉末的沉降塞比存在宠攫关系，只 武汉瑷工丈学硬士学位论文 套零经对阉内a 、b 耪寒瓣滚终量臻交证黠，凝稷俸豹组