梯度超材料.doc

加入人人网，找回老朋友，结交新朋友。 加入人人网 分享 返回分享首页分享 超材料简介 来源： 宿非凡的日志 超材料（Metamaterial）“超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。迄今发展出的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料等。左手材料是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。近一两年来左手材料引起了学术界的广泛关注，曾被美国科学杂志评为2003?年的年度十大科学突破之一。但是目前超材料这一新的观念尚未被学术界，特别是材料学界完全接受。不过，作为一种材料设计理念，已开始为越来越多的学者所关注，它的出现也给人们的世界观层面上带来冲击。?光线弯曲的新材料美国杜克大学的科学家称，他们使用“超材料”研制出使光线弯曲的新材料，朝制造隐形设备的目标迈出了关键性一步。该材料除了应用于军事外，也可能会让移动设备的通信更加清晰。超材料（Metamaterial）是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，理论学家认为，超材料能够被用来制造各种各样的隐形装置，这些装置能使物体周围的光等电磁波“绕道而行”，使物体变得不可见。研究人员将10000多个超材料制成的玻璃纤维片平行地置于一个电路板上制造出了新材料，其更容易制造并且带宽更宽。在实验过程中，研究人员让微波透过新的隐形材料射在一个平面镜的表面，隐形材料阻挡了微波束，使其不能四处散射，平面镜看起来很平，没有出现反光。参与研究的杜克大学科学家史密斯说：“人类使用可见光来看东西，这些可见光的波长不到一微米，但手机和其他无线设备用来看的光，波长大约是几厘米。”这些无线设备的“视线”往往会受到其他物体的阻挡，使移动通信变得困难。比如，你可能有2个或更多天线来“看”或接收信号，天线之间会相互干扰。如果增加一件“隐形衣”，使两个天线彼此不可见，那么它们就不会相互干扰了，通信质量也就可以提高。梯度超材料，梯度功能材料首先，现在梯度功能材料已经慢慢的越来越重要和流行，但是现在还没有对其具体专业的介绍，加之，此材料涉及到纳米材料，更是未来重要的新型材料我查阅很多文献，发现对于梯度功能材料的英文简写都一样，但是全拼居然有两种，在此我都分不清楚，一是：梯度功能材料（functionallygradedmaterials），简称（FGM）的概念是由日本新野正之与平井敏雄等学者于1986年首先提出的，它是指一类组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的非均质复合材料(王志, 李明玲,沈强, 张联盟,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉 430070,济南大学材料科学与工程学院，济南 250022)二是：梯度功能材料具有独特的性能，因而倍受人们的青睐。所谓梯度功能材料（functionalgradientmaterials）是指材料的组成和结构从材料的某一方位一维二 维或者三维）向另一方位连续地变化，使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型的功能性材料（黄敬东，吴俊，王银平，黄清安武汉大学化学与分子科学学院，湖北武汉430072）关于此两种说法我也无法搞清到底哪个是对的错的，但本人认为第一种是对的，因为gradient是名词，也有做形容词解释的时候，但是那是倾斜的意思，无从考究梯度的意思，而且主要是作名词解释当然如果是两种说法都成立我就也显得浅薄了下面就介绍材料不言它！梯度功能材料由于本身具有优异的性能以及它所体现出的新颖的材料设计思想，一经提出，立即引起世界各国材料科学工作者的高度重视并对其展开研究，迄今为止，已探索出一些基本的研究方法并制备出许多体系的梯度功能材料TiAl2O3是其中的一种。一目前最流行的TiAl2O3梯度材料采用一定梯度复合技术制备的Al2O3系FGM组分从纯金属Ti 端连续过渡到纯陶瓷Al2O3端，使材料既具有金属Ti的优良性能，又具有Al2O3陶瓷的良好的耐热、隔热、高强及高温抗氧化性，同时由于中间成分的连续变化，消除了材料中的宏观界面，整体材料表现出良好的热应力缓和特性，使之能在超高温、大温差、高速热流冲击等苛刻环境条件下使用，可望用做新一代航天飞机的机身、燃烧室内壁等以及涡轮发动机、高效燃气轮机等提供超高温耐热材料。1.Al2O3系FGM制备技术探索FGM的制备技术种类非常多，但迄今为止，用于Al2O3系梯度功能材料制备的方法主要有以下几种。1.1自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法（self-prepagating high-temprature synthesis，以下简称SHS）作为制备金属-陶瓷复合材料的新方法起源于20世纪80 年代，目前在梯度材料制备中应用非常广泛。它是利用本身的化学反应热使材料固结的一种方法，其基础是组元之间的化学反应为放热反应，形成燃烧波能使化学反应自发地维持下去。该法具有制备过程简单、反应迅速且能耗少、产品纯度高、反应转化率高等优点，但是，利用SHS法制备金属- 陶瓷复合材料也存在合成产物孔隙率大以及反应过程速度快、温度高，致使陶瓷相的大小和形貌难以控制等不足，如果在材料制备过程中同时施加压力，则可以得到高密度的燃烧产品。李益民等人分别采用无压SHS 法及爆炸固结+SHS两种方法制备了完整的Al2O3系梯度材料。结果表明，用无压SHS法制备的FGM致密度比较低，只有82，而且材料各个方向收缩率不同，轴向收缩较多，径向收缩不均匀；而采用爆炸固结SHS 法制备的FMG的致密度达到，制品完整无裂纹。1.2激光加热合成法激光是一种受激辐射的特殊光源，经聚焦后可以达到极高的功率密度。20世纪90年代初期，日本学者结成正弘等开创附加温度激光扫描烧结PSZMo系梯度材料的新方法，将激光加工技术引入梯度材料的研究，探讨梯度材料常规烧结技术即炉内恒温烧结法难以解决的不同成分梯度层的烧结温度差异和收缩量差异的重大难题，展示了激光加热源温度梯度烧结无污染、高效率等优点。目前激光在梯度材料制备中的应用还比较少，李克平等人采用激光加热制备了Al2O3系FGM，这是国内首例使用激光加热法烧结梯度材料粉末坯体。1.3干式喷涂温度梯度烧结法A.OTSUKA等利用该法在Ti基体上制备了TiAl2O3梯度涂层。其主要工艺过程是先将一定混合比的,Ti与Al2O3混合粉末放入等离子气体室中，利用高频射流使原料粉末变成超细粒子，然后冷却，使其转化成气溶胶状态喷涂在Ti基体上，通过控制喂料过程中TiAl2O3比例的连续变化，得到TiAl2O3梯度涂层，然后将所得涂层连同基体一起放入自制的特殊烧结炉中，利用温度梯度烧结。为了控制烧结过程中基体与涂层间收缩率差异，制备过程中在Ti 基体中加入左右的Ti-或Zr-的氢化物，使二者收缩达到一致，最终得到了与基体结合良好的致密的TiAl2O3梯度涂层。该工艺中运用超细颗粒可以降低制品的烧结温度，得到的梯度涂层结晶细小、良好，使涂层的性能大大提高，但实验过程比较复杂，设备要求高。1.4颗粒共沉降制备工艺探索可见，上述TiAl2O3系梯度材料现有制备工艺各有利弊，而且都不适合制备大体积以及特异形状的梯度材料。因此，要加快该体系梯度材料的实用化进程，就必须对现有工艺进行改进或者探索材料制备新工艺。对于金属陶瓷梯度材料来说，即要充分发挥其优越的耐热性能，同时又要大大缓和热应力，就必须使所得梯度材料的成分和组织在厚度方向上尽可能连续变化，以最大限度地缓和热应力。为达到这一要求，作者目前正在探索利用共沉降法制备TiAl2O3系梯度材料。共沉降法制备梯度材料是近年发展起来的一种材料制备新技术，其理论基础就是stokes定律球形颗粒在重力作用下的沉降速度与颗粒的大小与密度有关。可以推论，在一定条件下，同种粉末沉降时，颗粒大的沉降快；不同种粉末共沉降时，颗粒度大的，密度大的沉降快。因而，对于给定的种粉末，通过调整沉降参数和选择合适的粉末特性，就可以控制种粉末的沉降行为，制备出组分连续分布的梯度材料。利用该方法制备FGM具有设备简单、操作简便、得到的梯度材料成分渐变性更好等许多特点。共沉降法已经成为梯度功能材料领域的一个重要发展方向，到目前为止，在其理论研究，如沉降模型的建立以及实验研究等方面已取得了较大进展，利用该法制备TiAl2O3系梯度材料既有理论基础又有实践优势1.5 气相沉积法通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定条件下发生化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积以制备FGM。然而，材料制备工艺的选取以及制备过程中各项参数的确定都不是随意的，必须建立在对复合体系特性的全面了解和对材料制备工艺、结构形成与性能三者之间关系的深入研究基础之上。TiAl2O3系梯度功能材料是一种具有优良性能及广阔应用前景的超高温耐热材料。目前，对其制备技术及Ti与Al2O3之间的润湿性、界面反应情况有了较多的研究，但是对其界面反应的评价体系、界面反应对润湿性及材料宏观性能的影响，界面反应模型的建立及2相材料同时烧结致密化等方面还缺乏研究，只有对体系界面反应、润湿性的特点和烧结致密化机理等进行全面的认识、研究，才能开发出适宜的制备技术，并通过采用相应的措施控制其显微组织，改善材料的宏观性能，推进TiAl2O3系梯度功能材料的实用化进程。二梯度功能材料（FGM）2.1梯度功能材料的结构特征及其特点从材料的结构角度来看，梯度功能材料与均一材料、复合材料不同。它是选用两种（或多种）性能不同的材料，通过连续地改变这两种（或多种）材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能材料。关于FGM 的特点，可以从材料的组合方式来看，FGM可分为金属合金，金属 非金属，非金属陶瓷、金属陶瓷、陶瓷陶瓷等多种组合方式，因此可以获得多种特殊功能的材料。这是FGM的一大特点，FGM的特点也可以从材料的组成的变化来看，FGM可分为（1）梯度功能涂覆型，即在基体材料上形成组成渐变的涂层。（2）梯度功能连接型,即是粘接在两个基体间的接缝组成呈梯度变化。（3）梯度功能整体型，即是材料的组成从一侧向另一侧呈梯度渐变的结构材料。因而，可以说FGM具有巨大的应用潜力，这是FGM的另一大特点。2.2梯度功能材料的制备2.2.1干法周静等人报道了采用等离子喷涂法获得合金基复合梯度润滑涂层。采用梯度化结构使得涂层与基体的结合力明显地提高。蔡建平等人报道了采用等离子喷涂羟基磷灰石涂层，指出此涂层设计成梯度功能涂层是解决涂层与基体热应力的行之有效的方法之一。目前已在钛合金（Ti6Al14V）基体上成功地制备了等离子喷涂羟基磷灰石梯度功能涂层，在生物医学上得到应用。2.2.2湿法电沉积法属于湿法。此方法具有以下优点：1.不需要高温、高压、高真空，因而生产设备简单、投资较少，易操作。2.用电流作还原剂工艺条件易控制，易按梯度化要求进行调整。镀层的组成和结构能有效地控制。从文献的报道可知：用电沉积法可以获得ZnFe等梯度功能镀层。有用单一的镀ZnFe镀液，通过改变电流密度和镀液流速来改变镀层中的Fe的含量，形成梯度镀层。有的是通过改变各镀槽间的镀液组成和镀液的流速来连续地改变镀层的组成获得ZnNi 合金梯度镀层。2.3梯度功能材料研究现状及展望FGM的研究由材料设计、材料合成和材料性能评价三个部分组成。材料合成是FGM研究的核心，材料设计则是为FGM合成提供最佳的组成和结构梯度分布，材料性能评价则是建立准确评价FGM性能的一整套标准化试验方法，依此标准对FGM进行测试并将测试结果及时反馈给材料设计部门三者紧密相关，相辅相成。目前材料设计多数采用逆设计系统。首先是按照对材料性能的要求和使用条件，然后查阅材料组成和构造的知识库，依据设计的基本理论，对材料的组成和结构的梯度分布进行设计。现时，一些新技术、新方法的应用给FGM的研究增添了无穷的活力。例如：计算机辅助设计专家系统对FGM进行模拟设计，文献已有详细地描述。另外，用神经网络、有限元法，分形理论进行FGM 的研究。例如据报道了采用德国SIS公司的Anqlisis图象分析系统的)PRO 版本，测量了ZrONi系的梯度功能材料的水平面和垂直面的分形维数并初步建立了分形维数与宏观性能之间的关系。根据分形理论，可以用材料的微观结构来表征材料的宏观性能，即是分形维数定量表征梯度功能材料表面微观形貌及其与性能之间的关系。随着软件技术的发展，这一方法将变得更为准确、简捷。采用直接观察测试表面的分形特征用表面形貌来推断其力学性能，可以省去烦琐的性能测试，提高效率，降低成本。当然，用分形理论来研究FGM 的性能还有待FGM性能数据的累积和分析方法的完善。另一个理论分析方法是根据有限元法原理采用有限元分析软件进行数值计算，得出材料内部温度、热应力的大小和分布，并与试验结果对比，可以对FGM的热应力缓和特性进行评价。FGM 的研究的一个重要方面是新的、经济的FGM制备方法和工艺的开发。期望在改善现有FGM制备工艺的前提下，能开发出经济的、应用面较广（大面积、形状复杂件）的FGM的制备工艺。在这方面，电化学方法（电沉积法）相对于其他方法有较大的优越性和发展空间。值得一提的是：将几种制备方法综合地、巧妙地应用也是值得大胆地尝试的。由于FGM的性能的多样性和FGM的组成和结构沿某一方位向另一方位梯度变化的特点，使得现有的材料性能评价的原理和测量方法不能完全满足FGM 性能评价的需求，从目