（材料学专业论文）梯度分布的sic颗粒增强铝基复合材料的制备组织和力学行为.pdf

奎堑矍三奎兰曼圭鎏兰 ：；：；。； 摘要 s i c 颗粒增强铝基复合材料是金属基复合材料( m m c s ) 中最具有广泛应用前景的 一种新型高技术材料。由于其优异的高温强度，高耐磨性，高比刚度等力学性能和良好 的可加工性等优点，已经在航空航天、汽车和其它制造业作为结构材料得到了应用。最 近，高体积分数的s i c 颗粒增强铝基复合材料还由于其高热导率和低热膨胀系数等特性 在半导体和电子行业有了新的应用前景。如果使增强体在一个方向上连续或逐级变化， 就更加满足于实际结构和功能的需要，这就是功能梯度材料的概念。本论文，选择最具 有广泛应用前景的s i c 颗粒增强铝基复合材料，设计和制备了梯度分布的s i c 颗粒增强 铝基梯度复合材料，研究了梯度分布的s i c 增强体对材料的力学行为，特别是亚临界扩 展阻力和疲劳裂纹扩展行为的影响。 本论文由6 章组成。第1 章概述了不连续增强铝基复合材料和功能梯度材料的研究 和开发动态，在此基础上提出了功能梯度材料的研究开发以及应用的问题点，针对这些 问题点阐述了本论文的研究目的和内容。 第2 章设计并采用堆层粉末冶金法制备了梯度分布的s i c 颗粒增强铝基梯度复合材 料( 简称梯度复合材料) ，其s i c 颗粒体积百分数从5 到3 0 梯度变化。为了比较， 用相同制备工艺制备了均匀分布的s i c 颗粒增强铝基梯度复合材料( 简称均匀复合材料) 和双层梯度复合材料( 两层s i c 颗粒体积分数分别为5 和1 5 ) 。显微组织观察表明， 由于a l 基体很好的融合成体，因丽尽管在低倍率下分辨出梯度复合材料由不同含量的 层组成，但是在高倍率下没有明显的层与层之间的界面。密度测定结果表明，密度随着 s i c 的增加而增加，到1 5 达到最大值：s i c 含量超过1 5 之后，复合材料的密度略有 降低减小。对梯度复合材料的硬度测试表明，其硬度与s i c 颗粒体积分数之间呈抛物线 型关系。 第3 章研究了梯度复合材料的拉伸强度和亚临界裂纹扩展阻力行为。通过对梯度复 合材料进行拉伸试验，提出了评价各层拉伸屈服强度、断裂强度和弹性模量的方法。研 究结果表明，屈服强度和断裂强度与s i c 颗粒体积分数呈线性关系，弹性模量与s i c 颗 粒体积分数符合平方关系。梯度复合材料的拉伸断裂方式独特，由于变形协调导致的应 力重新分配，使得高s i c 层所承受的应力远大于平均应力，从而导致其首先开裂，随后 裂纹向低s i c 层扩展。对梯度分布的s i c 颗粒增强铝基复合材料的亚临界裂纹扩展的研 究表明- 当裂纹从高s i c 层向低s i c 层扩展时，表现出随着裂纹长度增加裂纹扩展阻力 增加的r 曲线行为。这是由于当s i c 含量较高时裂纹尖端基体的变形会受到刚性增强体 的强烈约束，随着裂纹长度增加，s i c 含量降低，裂纹尖端被更多的韧性基体包围，从 而易于产生塑性变形，因此裂纹扩展阻力增大。 第4 章研究了双层梯度复合材料的疲劳裂纹扩展行为。研究表明，在相同的应力强 度因子范围条件下，当裂纹从高s i c 层向低s i c 层扩展时，双层梯度复合材料的疲劳扩 展速率比均匀复合材料的低，即双层梯度复合材料具有较高的抵抗疲劳裂纹扩展的能力。 利用有限元分析模拟了双层梯度复合材料制备后试样中残余应力的分布，在双层梯度复 合材料的界面附近残余应力发生了突变，由于残余拉应力位于裂纹的尖端前方增大了裂 摘要 纹尖端的有效应力强度因子范围，因此残余应力的变化对裂纹扩展起加速作用。但是， 高s i c 层的粗糙度引起的闭合效应起阻碍裂纹扩展作用，而且当裂纹越过层间界面过渡 区之后残余拉应力逐渐减小，造成裂纹扩展速度降低。另外在层间界面过渡区裂纹扩展 路径发生偏折，这也是双层梯度复合材料疲劳裂纹扩展延滞的原因之一。 第5 章研究了多层梯度复合材料的疲劳裂纹扩展行为。研究表明，当疲劳裂纹从低 s i c 层向高s i c 层扩展时，在相邻两层过渡区会发生裂纹扩展延滞。对裂纹扩展路径和 断口形貌的观察发现，在层间界面过渡区裂纹扩展发生偏折和分枝现象。建立了裂纹偏 折模型，解释了裂纹偏折可以造成的疲劳裂纹扩展延滞。裂纹分枝可释放裂纹扩展驱动 力的应变能，也会造成疲劳裂纹扩展延滞。当疲劳裂纹从高s i c 层向低s i c 层扩展时， 在相邻两层过渡区也会发生裂纹扩展延滞。但是此时的裂纹扩展延滞效果相对低。对裂 纹尖端应力场分析表明，由于层间过渡区的弹性失配屏蔽了裂纹尖端驱动力，裂纹扩展 从低强度材料进入高强度材料过程中，裂纹尖端有效驱动力降低。因此，当裂纹从低增 强体含量向高增强体含量扩展时，裂纹偏折、裂纹分枝、弹性失配以及塑性失配以及残 余应力共同起作用，导致裂纹扩展延滞；而当裂纹从高增强体含量向低增强体含量扩展 时，裂纹闭合效应和裂纹偏折起主要作用导致裂纹扩展延滞。 第6 章对本论文的研究进行了总结，归纳出了主要结论和创新点，并且提出了未来 功能梯度材料研究和开发的展望。 关键词：梯度分布的s i c 颗粒增强铝基梯度复合材料；疲劳裂纹扩展；裂 纹偏折；延滞效应：断裂韧度；r 曲线 英文摘要( a b s t r a c t ) s i c p a r t i c u l a t e s r e i n f o r c e da im a t r i xc o m p o s i t ei s o n eo fa d v a n c e dm e t a lm a t r i x c o m p o s i t e s ( m m c s ) ，h a v i n gw i d e s p r e a dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o n s s i n c ei t se x c e l l e n ts t r e n g t h a th i g ht e m p e r a t u r e s ，g o o dw e a rr e s i s t a n c e ，h i g hs p e c i f i cm o d u l u sa n de a s yp r o c e s s i n g ，t h e c o m p o s i t eh a sb e e nu s e da ss t r u c t u r em a t e r i a ll na e r o s p a c e ，a u t o m o b i l ea n d o t h e ri n d u s t r i e s r e c e n t l y ，i tw a sf o u n d t h a tt h ec o m p o s i t ew i t hh i 曲v o l u m ef r a c t i o no fs i cp a r t i c u l a t ec o u l d b eu s e di ns e m i c o n d u c t o ra n de l e c t r o n i ci n d u s t r yd u et oi t sh i 吐t h e r m a lc o n d u e t i v i t ya n dl o w t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t i ft h er e i n f o r c e m e n t sa r eg r a d e do rg r a d u a l l yc h a n g e da l o n g t h i c k n e s sd i r e c t i o n ，t h ec o m p o s i t ew i l lb em o r es a t i s f i e dw i t ht h er e q u i r e m e n t so fa p p l i c a t i o n s t h i si st h ec o n c e p t o f 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 i nt h i st h e s i s ，s i cp a r t i c u l a t e sr e i n f o r c e d a im a t r i xc o m p o s i t e sh a v eb e e nc h o s e n , a n dt h ei n f l u e n c eo fg r a d e ds i cp a r t i c u l a t e so n f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n a n ds u b c r i t i c a lc r o c k p r o p a g a t i o n h a sb e e n i n v e s t i g a t e d t h et h e s i sc o n s i s t so fs i xc h a p t e r s i n 也ef i r s tc h a p t e r r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs i c p a r t i c u l a t e s r e i n f o r c e dm e t a lm a t r i x c o m p o s i t e a n d f u n c t i o n a l l yg r a d e d m a t e r i a l sw e r e r e v i e w e d t h ep r o b l e m st ob es o l v e do nd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f f u n c t i o n a l l yg r a d e d m a t e r i a l sw e r ep o i n t e do u t t h e n ，t h eo b j e c t i v e sa n do u t l i n eo ft h ep r e s e n tt h e s i sw e r e d e s c r i b e d i nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h e g r a d e ds i cp a r t i c u l a t e s r e i n f o r c e da im a t r i xc o m p o s i t e s ( g r a d e dc o m p o s f f e ) w e r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e db ys t a c k i n gp o w d e rm e t a l l u r g yp r o c e s s i n g ， i nw h i c hv o l u m ep e r c e n t a g eo fs i cp a r t i c u l a t e si sf r o m5 t o3 0 f o rc o m p a r i s o n , h o m o g e n e o u s s i c p a r t i c u l a t e sr e i n f o r c e da lm a t r i xc o m p o s i t e s ( h o m o g e n e o u sc o m p o s k e ) a n d b i - l a y e r e dg r a d e dc o m p o s i t e s ( t h ev o l u m ep e r c e n t a g eo f s i cw a s5 a n d15 r e s p e c t i v e l y ) w e r ea l s of a b r i c a t e di ns i m i l a rp r o c e s s i o n gc o n d i t i o n s ，s i n c et h ea im a t r i xo ft h eg r a d e d c o m p o s i t e sw a sw e l l r e s o l v e d t o g e t h e r ，t h e r e w a sn oi n t e r f a c eb e t w e e nt w ol a y e r sw i t h d i f f e r e n tv o l u m ef r a c t i o n so fs i cp a r t i c u l a t e s t h ed e n s i t yo ft h eh o m o g e n e o u sc o m p o s i t e s i n c r e a s e dw i t ha ni n c r e a s i n gi nv o l u m ef r a c t i o no fs i cp a r t i e u i a t e s 。i tr e a c h e dt h et o pv a l u e w h e nt h ev o l u m ef r a c t i o no fs i cw a s15 ，a f t e rt h a t ，t h ed e n s i t ys l i g h t l yd e c r e a s e d i tw a s f o u n dt h a tt h eh a r d n e s si n c r e a s e dw i t ha ni n c r e a s ei nv o l u m ef r a c t i o no fs i c p a r t i c u l a t e sw i t h a p a r a b o l i cr e l a t i o n s h i p i nt h et l l i r dc h a p t e r , t h et e n s i l es 仃e n g t ha n dr e s i s t a n c ec u r v e 门王- c u r v e ) o fc r a c k g r o w t hi n t h eg r a d e d c o m p o s i t e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ey o u n g sm o d u l u s i n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gs i c p a r t i c u l a t e sw i t ha ne x p o n e n t i a lr e l a t i o n s h i p ，w h i l et h ey i e l ds t r e n g t ha n dt h eu l t i m a t et e n s i l e s 仃e n g t hi n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gs i cp a r t i c u l a t e sw i t l lal i n e a rr e l a t i o n s h i p n ef r a c t u r e b e h a v i o ro ft h eg r a d e dc o m p o s i t e sw a si n h o m o g e n e o n sa n du n i q u e t h ef r a c t u r eo r i g i n a t e d f r o mt h eh i g h e s tv o l u m ef r a c t i o no f s i c l a y e ra n dp r o p a g a t e da l o n gt h ed i r e c t i o no f d e c r e u s i n g o f s i cc o n t e n t s a tt h eh i 曲v o l u m ef r a c t i o nl a y e r ，l i m i t e dd i s s i p a t i o no f e n e r g yb y r e s t r a i n e d p l a s t i cd e f o r m a t i o no f t h e m a t r i xa tt h ec r o c k t i pp r o d u c e d l o wf r a c t u r et o u g h n e s sv a l u e s t h e g r a d e dc o m p o s i t ee x h i b i t e da ni n c r e a s i n gr - c u r v e b e h a v i o r 1 1 1 ef r a c t o g r a p h ys h o w e db r i t t l e f r a c t u r ei nh j 鼬s i cl a y e ra n dd i m p l ef r a c t u r ei nt h e m a t r i xo f l o ws i cl a y e r i nt h ef o u r t hc h a p t e r 。f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nb e h a v i o ro fb i - l a y e r e dg r a d e dc o m p o s i t e h a sb e e ni n v e s t i g a t e d n ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t e so fb i l a y e r e dg r a d e dc o m p o s i t e w e r el o w e rt h a nt h o s eo fh o m o g e n e o u sc o m p o s i t e sw h e n t h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hf r o mh i 出 v o l u m ef r a c t i o no fs i ct ol o wv o l u m ef r a c t i o no fs i ci nb i l a y e r e dc o m p o s i t e t h er e s i d u a l s t r e s si nf r o n to fc r a c kt i pw a sc a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，b u tt e n s i l er e s i d u a ls t r e s s s h o u l dc a u s e dc r a c kg r o w t ha c c e l e r a t i o n f a t i g u ec r a c kc l o s u r ee f f e c t sw e r em e a s u r e da n d a n a l y s e d i tc o u l di n t e r p r e tr e t a r d a t i o no fc r a c kg r o w t hc a u s e db yr o u g h n e s si n d u c e dc r a c k c l o s u r ei nt h eh i g hv o l u m ef r a c t i o no f s i cp a r t i c u l a t e s f u r t h e r m o r e ，o n eo f t h er e a s o n sf o rt h e r e t a r d a t i o no fc r a c kg r o w t hw a sa t t r i b u t e dt ot h ec r a c kd e f t e c t i o ni nt h et r a n s i t i o nr e 画o n b e t w e e nt h et w ol a y e r s i nt h e f i 铀c h a p t e r f a t i g u e c r a c k p r o p a g a t i o n b e h a v i o ro f m u l t i l a y e r e dg r a d e d 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 t h er e t a r d a t i o no ff a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o no c c u r r e di nt h e t r a n s i t i o nr e g i o nb e t w e e nl a y e r sw h e nt h ec r a c kp r o p a g a t e df r o ml o wv o l u m ef r a c t i o no fs i c t 01 1 i g l lv o l u m ef r a c t i o no fs i ci ng r a d e dc o m p o s i t e n ec r a c kd e f l e c t i o na n db r a n c h i n gw e r e e x a m i n e df r o mt h ec r a c kg r o w t hp a t h t h ec r a c kd e f l e c t i o nm o d e lw a sp r o p o s e da n du s e dt o i n t e r p r e tt h ed e c r e a s eo fe f f e c t i v es t r e s si n t e n s i t ya tt h ec r a c kt i 口，w h i c hr e s u l t e di nt h el o w c r a c kg r o w t hr a t e t h er e t a r d a t i o no f f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o na l s oo c c u r r e di nt h et r a n s i t i o n r e g i o nb e t w e e nl a y e r sw h e n t h ec r a c kp r o p a g a t e df r o mh i g hv o l u m ef r a c t i o no fs i ct ol o w v o l u m ef r a c t i o no fs i ci ng r a d e dc o m p o s i t e ，a l t h o u g ht h er e t a r d a t i o ne f f e c tw a ss i n a i l e r t h e d r i v i n gf o r c ea tc r a c kt i pw a sa n a l y s e da n da p p l i e dt oe x p l a i ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sb a s e do n e l a s t i ca n d p l a s t i cm i s m a t c h b e t w e e nt w o l a y e r s i nt h es i x t hc h a p t e r ，t h er e s e a r c hr e s u l t sw e r es u m m a r i z e d m a i nc o n c l u s i o n sa n dn e w f i n d i n g sh a v eb e e nc o m p i l e d n ep r o s p e c to ff u t u r e sr e s e a r c hd e v e l o p m e n to nf u n c t i o n a l l y g r a d e dm a t e r i a l sh a sb e e np u tf o r w a r d k e yw o r d s ：f u n c t i o n a l l y - g r a d e ds i cp a r t i c u l a t er e i n f o r c e da i m a t r i x c o m p o s i t e ； f a t i g u e c r a c kg r o w t h ；c r a c kd e f l e c t i o n ；r e t a r d a t i o no fc r a c kg r o w t h ；f r a c t u r e t o u g h n e s s ；r - c u r v e 奎薹矍三奎茎曼圭鎏圣：；。；一 1 1 引言 第一章绪论 材料是人类文明的基础。从石器时代、青铜时代、铁器时代至今，人类社会的发展 始终与当时新材料的发明创造与应用密切相关。所使用的材料种类逐渐从天然( 自然界 存在的各种矿物质、植物和骨架等) 扩展到人工合成材料( 金属材料、有机高分子材料 与无机精细陶瓷) ，从单一材料扩展到复合材料，每一次进步无不伴随着人类文明的巨 大飞跃。材料科学技术已经成为现代科学技术的基础和支柱之一。 随着科学技术的飞速发展，对材料的性能要求越来越高，特别是在极限环境下( 超 高温、超低温、超高压、超音速和极高真空等) 工作的零件更需要有特殊的性能。世界 各国的材料研究者在长期研究传统材料的基础上，除更加深入地从工程技术方面完善已 有的材料之外，又从理论上陆续提出了许多新材料的概念，来满足各种特殊环境下工作 的零件的性能要求。与此同时，这些新材料的合成与加工方法也相应问世，使材料科学 与材料工程领域发生了深刻的变化，出现了前所未有的百花齐放，欣欣向荣的景象，如 智能材料和复合材料等。 由两种以上单一原材料组成的复合材料，可发挥原组分材料优势互补的“复合效 应”，克服或改善各自的弱点，获得优异的物理、化学、力学及人们所要求的其它性能。 可解决许多用常规材料难以解决的关键问题 1 】。复合材料根据基体材料分类为高分子( 或 树脂或聚合物) ，陶瓷和金属基复合材料。另外，根据增强体将长纤维增强的复合材料 称为连续增强复合材料，将颗粒，晶须等增强的复合材料称为不连续增强的复合材料。 金属基复合材料( m m c s ) 兼有金属良好的塑性和韧性以及陶瓷高强度、高刚度的优点， 从而显示出不同于基体含金的物理性能和力学性能，如高的比强度、比刚度以及良好的 热稳定性、耐磨性以及尺寸稳定性能等【2 “。在具有比基体会金更高的抗压、抗剪切及高 温承受能力的同时，还具有传统合金材料无法比拟的可设计性。m m c s 在本世纪6 0 、7 0 年代一经出现，就引起了世界各国专家、学者和企业的关注与研究兴趣。在过去的三十 多年中，金属基复合材料在研究和应用方面都取得了突飞猛进的发展，并已在航空航天、 汽车等领域得到了应用。 近年来，研制出了功能梯度材料，达到了化学成分从表面到中心的连续变化，从而 即可满足特殊的工作需要，又可避免温度变化产生的热应力而导致的材料开裂。功能梯 度材料作为一种复合材料，不仅继承了传统复合材料的组分优势互补与成分和显微结构 可设计、可控制的主要优点，而且还引入了与传统均匀复合材料截然不同的组成和功能 梯度化的设计思想及显微结构控制方式，克服了传统复合材料宏观界面的不利影响，因 而功能梯度材料已经引起国内外材料界极大地研究与开发兴趣。 本章在评论不连续增强铝基复合材料和功能梯度材料的研究和开发动态的基础上， 提出存在的问题点和研究梯度分布s i c 颗粒增强铝基复合材料的意义，然后论述本论文 第一章绪论 l ：= ；= ；4 i ；= 目i _ ；= ；= ；- ；= j l 目= ；自i ；日； 研究的目的和内容。 1 2 不连续增强铝基复合材料 由于m m c s 的研究与应用对象首先是航空航天领域，因而人们的注意力一开始就放 在了铝合金和钛合金上，一方面是由于它们自身的比强度、比刚度以及延展性等综合性 能较好【5 1 ，另一方面是由于目前也具备了较成熟的加工工艺。金属基复合材料发展的未 来前景主要是不连续增强，特别是s i c 颗粒增强a l 基复合材料【6 j 。在实际设计和制造 a l 基复合材料时，一般总是选用比强度较高的a l 合金作为基体材料。表1 1 列出了制备 a 1 基复合材料常用的一些a l 合金“j 。 增强体的选择标准包括增强体材料的弹性模量、抗拉强度、密度、熔点、热稳定性、 热膨胀系数、尺寸、形状及其与基体合金的相容性等，另外当然还包括增强体自身的价 格。目前经常采用的增强体主要有氧化物、氮化物、碳化物及硅化物等。对于m m c s 来说，其结构效率( s t r u c t u r a le f f i c i e n c y ) 哺j 与增强体的密度、稳定性与相容性相关，也非 常重要，它不仅关系到材料的制备，更与材料长期安全使用的可靠性密切相关。另外， 增强体与基体合金的热膨胀系数的差值亦十分重要由此引起的材料内部位错密度的变 化和内部应力场的变化对材料的性能影响都很大。目前常用增强颗粒的直径从几个t m 到几百个b m 。体积分数从百分之几到百分之几十，制备工艺的选择常常决定了使用的颗 粒粒度与体积分数。s i c 可谓是人们目前使用得最多的一种增强体材料，由于s i c 颗粒 具有高强度、高硬度、高杨氏模量和低热膨胀系数等许多优良特性，并且价格便宜易于 获得，而且各项指标都能较好的满足上述要求，是一种理想的增强体。表1 2 列出了一 些常用的陶瓷颗粒咧。 对碳化物( s i c 9 , t o ，t i c f l 0 , 11 ，b 4 c i o , 1 2 1 ) 、硼化物( t i b 2 1 0 , 1 3 1 ) 、氮化物( s i 3 n 4 1 卅) 和氧化物 ( a 1 2 0 3 1 5 , j 6 1 ) 等陶瓷粒子都进行了成功的尝试。其中，s i c 颗粒是使用较多的一种增强相。 铝基s i c 复台材料是由高硬度的s i c 和高强度的铝合金复合而成，它们在要求高硬度、 高强度、高的耐磨损、耐热和低比重的结构部件中得以应用。然而，韧性和延展性的降 低却限制了这些有价值的特殊性能i l ”。因此，需要优化这种材料的断裂性能以便能够完 全开发这种材料的潜力。有两种途径能够提高这种特殊材料的抗断能力 18 】：1 内部的结 构因素，诸如强化相的大小和基体性能等；2 外在的方法是结构强化机制。在后一种机 制中，h u n t 等人提出，通过强化区域与未强化区域的结合，裂纹萌生强度和裂纹扩展阻 力都有了极大的提高。研究表明，不连续增强a l 基复合材料具有以下优点m q1 9 岱】： 1 可以利用传统的技术和设备制备和二次加工。利用传统的压铸法或粉末冶金法制 备这类复合材料，因为设备相对简单，工艺也比较成熟，所以成本可以大为降低，而且 可以采用传统的挤压、锻造等二次加工； 2 材料各向同性。与连续纤维增强不同，不连续增强铝基复合材料的性能为各向同 性。虽然经过挤压加工之后的晶须或者颗粒有一定的择优取向，但是由于横向的强度和 弹性模量仍然非常高，基本上可以看成是各向同性材料： 3 尺寸稳定性。热膨胀系数稳定而且随着s i c 含量的增加几乎线性增加，s i c 体积 分数为2 0 时，复合材料的热膨胀系数仅为基体的5 0 ，并且该材料的导热系数和比热 f 2 一 奎耋翟三奎兰堡圭箜兰 。；，；。；：一= ；l _ l ；e 4 目_ l _ j # i # ；_ _ - _ = ；= z i l - 。一一 均接近基体，因此该材料可以在温度变化剧烈的环境中使用，而这正是宇航结构所要求 的重要性能o 4 良好的高温性能。该类材料具有良好的高温性能、抗氧化，而且具有高的抗热冲 击性能o 5 良好的加工性等优点。仍然可以采用传统机加工方法进行试样的加工成型。 表1 1 常用基体铝合金 t a b l e1 1s o m ea l u m i n u ma l l o y su s e da sm a t r i c e sf o rc o m p o s i t e s 【7 】 ia i l 。y c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ( w t ) p a r t i c l e c u m g f es in im n z rva lc o n m i n e d 6 0 6 1 0 2 81 o0 6 0 2 b a l a 1 2 c u m g 2 1 2 4 4 41 6o 6 b a l 口 2 6 1 82 5 7 1 6 31 0 90 2 31 1 8 h a l a i f e n i ，a 1 2 c u m g 2 0 2 44 4 21 4 7o 2 6 0 2 40 5 6b a l a 1 2 c u m g 2 0 8 03 5 81 8 60 0 4 0 ，0 70 ，2 5h a l s 2 2 1 96 30 0 20 0 30 0 50 _ 3 0 0 0 1b a l 口+ 口” 8 0 0 98 51 7 1 3h a l a i t k f e ，v ) 3 s j 表1 2 增强体陶瓷的性能参数 t a b l e1 2p r o p e r t i e so fs o m er e i n f o r c i n gp a r t i c l e s 【8 】 密度膨胀系数强度弹性模量 陶瓷 10 3 k g m 3 1 0 西1 k 呼ag p a s i c3 。2 15 4 03 2 4 a 】n3 2 64 8 42 0 6 93 1 0 a 1 2 0 3 3 9 87 9 22 2 1 3 7 9 s i 0 2 2 6 6 】，0 8 ， 7 3 z r 0 2 5 9 81 2 o l8 31 3 2 s b n 4 3 1 8】4 4 ， 2 0 7 1 3 功能梯度材料 1 3 1 功能梯度材料的概念 构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集中，无论该应力是 内部的还是外加的。如果从一种材料过渡到另一种材料是逐步进行的，这些应力集中就 会大大地降低，这种考虑就是大多数功能梯度材料( f u n c t i o n a l l yg r a d e dm a t e r i a l s ，简称 f g m s ) 的基本出发点。功能梯度材料是用来作为微观结构和( 或) 成分逐步过渡的构 件，这种构件的设计是要求功能随构件内部位置而变化的。 尽管梯度材料只是在近些年才引起人们的关注，但是实际上在自然界中就有大量的 具有这种不均匀结构的材料。如骨骼、关节和牙齿等是无机材料和有机材料完美结合的 生物梯度复合材料，它们具有重量轻、韧性好和硬度高的特点。竹子也是一种梯度材料， 3 图1 1 是竹节的横截面图，图中的点形是竹子的维管束，可见，维管束从内壁到外壁是 逐渐增加的，而维管束越多强度越大，这样就保证了竹子在径向上就有相同的强度；另 外，它的直径( 从下到上) 、每节的长度、竹子的厚度( 从下到上) ，都是逐渐( 梯度) 变化的， 从而使竹子在长度方向具有相同的表面应力口6 1 ，并且结构中最强的单元承受最高的应 力。 图1 1 竹节的横截面图 f i g u r e1 1c r o s s s e c t i o no f b a m b o o 将预先存在的不同相进行人为组合而成的复合材料的出现，使得有可能通过改变复 合两相的配制，在这种材料的内部就可以形成精细的构造梯度。作为一个概念，b e v e r 和d u w e z 于1 9 7 2 年提出了这种可能性田j ，但是功能梯度材料作为一个规范化正式的概 念是日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三等人首先于1 9 8 7 年提出的【2 9 】。所谓梯度 材料，从严格意义上讲，应该叫做“梯度复合材料”，在日本又称为倾斜机能材料。其 目的是为满足适应宇航、航空、先进动力等高技术领域对材料提出更加苛刻的要求口8 - 3 2 ， 因为航天器的耐热层要求材料既能耐超高温，又能承受巨大的内外温差。金属具有强度 高、韧性好等优点，但却不能适应高温和腐蚀环境。而陶瓷具有耐高温、抗腐蚀等优点， 但却具有难以克服的脆性。金属和陶瓷的复合则可以充分发挥两者的长处，克服它们各 自的弱点。用现有技术使金属和陶瓷直接结合时，因热膨胀系数严重失配，会在界面处 产生非常大的热应力，从而导致材料的剥离、脱落等破坏或耐热性能降低。梯度材料通 过连续或逐级改变两种材料的组成和结构，使其内部不存在明显的界面，从而可达到缓 和热应力的目的p “”l 。功能梯度材料的结构和特性如图1 2 所示。可见，功能梯度材料 组分或结构呈有规律的空间变化，从而其性能也呈空间变化以满足特定要求，显然这与 一般的非均匀材料( i r t h o m o g e n e o u sm e d i a ) p 叫有很大的不同，尽管一般的非均匀材料也是 多相复合材料，二者的重要区别在与功能梯度材料的宏观组分结构与性能都是非均匀 的，而传统的非均匀介质的宏观组分，结构与性能都是均匀的，即梯度材料是不同相f 化 4 大连理工大学博士论文 学组分不同) 的均匀混合而形成的材料。梯度材料的实质是材料内部要有一个固有的梯 度场( 某一参量的空间函数) ，据此可以派生出各种功能梯度材料来，最主要的是化学组 分呈连续变化的功能梯度材料，如a l ，舢2 0 3 ( 金属陶瓷) 功能梯度材料。但是，组分的变 化往往带来结构的变化，最终对宏观性能的影响由二者共同决定。由于梯度材料具有许 多优异的性能，它的出现引起众多领域研究者的重视，并且发展成为当前结构材料研究 领域中的重要课题之一【3 4 “】，应用前景广阔m ? i 。表l _ 3 列出了一些实际应用。 表1 3f g m 的应用范围 t a b l e1 3p o t e n t i a la p p l i c a t i o n so f f g m s a p p i l t h 地 p a r t s ( f g m s ) g r a d e d 佃n q “o 砸 b i o m a t 竹i a i s a r t i f i c i a l j o i n t s ( h a p 厂r i a iv | a 1 2 0 , r i a l v ) b i o c o m p a t i b i l i t y t o u 出c s s s n k 瑚l 目珊k c c o n c m s y m m c l z l c p o r o s i t y g r a d i e n t出口m a ll n s u l a l j o n n o c k m $ c e p i s t o nh e a d ( p s z n i c r f e m * ：c a n i r o n 、 h e m , e n i o nr m i s m n c c 0 u g l m c s s e n g m _ e 忉幽e x n h a e u b s l a d t v a e l v ( p s e ( z s ，n i 3 n l d c c r a r 3 l y c n 2 y 啪s m 刈e j i a ) n w e a r , h e a l , e r o s i o nr 鹊l 幽删嘣h i n a b 川计 c o m p o n e n t s c r e e p , e r o s i o nr e s i c a m c e a o u g h n e 嚣 廿i i “c r a m 嘛( s i c c cp s z s u s ) h e a le r o s i o a r c s i s m n c e 2 h i 商s o c c i f l cs t r e n a l g n c u m n g t o o l ( w c c o ，d i a m o n f l s i c ) w e a r ，h e a tr e m t a n c e d t o u g h n 獬 e n g i n e 盯i n g 8 l u f r y 口p i o i 吼m p h i , n i m 鳓p e l l e 州r ( a 胛g s o z j c 黼p g z ) 1 1 s u s ) w e 越a m l o nr e s m t m c c m u g h n c s s w e a r j i e s i s 伍1 1 0 帆d u 帅辩 f i s s i o nr 自i c t o f c o mc o m g , e m ( s i c 慨c o n o s i e nr m i s t a n c e d i i ：u u o f l m c l d e m m n f u s i o nr e a c t o r (moemr(c印cu盏擀 “嘲瞄1 锄皑1 。”蜘c o n l a ? u 哪c _ t l v r b c