梯度功能材料的制备与应用及其发展状况.

1、中国石池丸岑（华东）CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM学科前沿知识讲座论文学科前沿知识讲座论文梯度功能材料的制备与应用及其发展状况姓名:李振学号:08132213班级:材料物理08-2日期:2011年10月22日梯度功能材料的制备与应用及其发展状况李振（中国石油大学（华东理学院材料物理08-2,青岛,266555摘要:近年来，梯度功能材料（Functionally Gradient Materials,FGM由于其优异的 性能和特殊的功能，得到了迅速发展，展现出极大的应用价值。FGM的制备方法主要 有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、气相沉积法、自蔓延高温燃烧法等。

2、FGM在航空航天、机械工程、电磁工程、生物工程、核能和电气工程等领域都有 广泛的应用。文章综述了 FGM的制备方法、在各领域的应用以及发展现状，对未来 的发展做了一些展望。关键词:梯度功能材料；制备方法；应用;发展前景1前言一般复合材料中分散相是均匀分布的，材料的整体性能是同一的，但在有些情况 下,人们常常希望同一件材料的两侧具有不同的性质或功能，又希望不同性能的两侧 结合完美，从而不至于在苛刻的使用条件下因性能不匹配而发生破坏1。梯度功能材料（Functionally Gradient Materials,简称FGM就是这样一种材料，是指通过连续（或 准连续地改变两种材料的结构、组成、密度等

3、因素，使其内部界面减少乃至消失，从而得到能相应于组成与结构的变化而性能渐变的新型非均质复合材料2-3。目前，梯度功能材料的主要制备方法有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、气相沉 积法、自蔓延高温燃烧合成法等4。在航空航天工程、机械工程、电磁工程、生 物工程、核能及电气工程等领域都有广泛的应用。本文综述了梯度功能材料的不同 制备方法及各自特点、应用及研究现状，并对其发展前景进行了讨论。2梯度功能材料制备方法2.1 粉末冶金法（PMPM法是将10Nm100卜曲径的粉末（金属、陶瓷充分混合，按组分梯度分层填 充或连续成分控制填充，压实后烧结制备FGM5。PM法具有设备简单、易于操作、成本低等优点

4、，但需要对烧结温 度、保温时间和冷却速度等工艺进行严格控制。2.2等离子喷涂法等离子喷涂法是将原料粉末送至等离子射流中，以熔融状态状态直接喷射到基材上形成涂层4 o该方法使用粉末作喷涂材料，以气体作载体将粉末吹入等离子射流中，依靠等离子弧将粉末熔化，熔融的粒 子被进一步加速，然后以极高的速度打在经过净化和粗化处理的基材表面 ，产生强烈 的塑性变形，相互挤嵌、填塞，形成扁平的层状结构涂层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例，调节等离子射流的温度及流速，即可调 整成分和组织，获得FGM涂层。具有沉积速度快、无需烧结、不受基材截面积大小 的限制等优点，尤其适合于大面积表面热障FGM涂层。2.3 激光

5、熔覆法激光熔覆法是随着激光技术的发展而产生的一种新兴的材料制备的方法。采用 高能激光束作为热源辐照基材表面，同时将原料粉末送至基材表面。原料粉末和基 材在激光束作用下共同融化，生成合金相。改变原料粉末成分含量，重复上述过程，即 可获得具有一定梯度的材料。激光熔覆技术具有很多优点：可以通过混合不同合金粉末进行成分设计，得到完 全致密的冶金结合覆层；熔覆层稀释度小，且可精确控制；由于快速加热和冷却过程， 激光熔覆层组织均匀致密，微观缺陷少，性能优于其他工艺生产的复合层性能6。该工艺工作快速，但 设备成本较高。2.4 气相沉积法气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术，按机理的不同分为物

6、理气相沉积（PVD和化学气相沉积（CVD两类。2.4.1 物理气相沉积（PVD物理气相沉积技术是真空沉积加工中的一个大分支，它是利用蒸发或溅射等物 理形式把金属从靶源移走，然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸气粒子 沉积到基片或零件的表面以形成膜层。反应式采用的是与靶源材料性质相同的物质 并按一定的反应要求注入某种气体（例如氮、氧和碳氢化合物气体，使沉积过程起反 应而生成化合物膜层口。利用物理气相沉积法，通过改变蒸发源可以合成多层不同的膜。PVD法沉积温度低，对基材热影响小，但沉积速率低，且不能连续控制成分分布。2.4.2 化学气相沉积（CVDCVD法制备FGM是通过赋予原料气体不同的能

7、量，在反应器中进行混合，使其 产生化学反应而生成固相的膜沉积在基体上。CVD法的优点在于容易实现分散相浓度的连续变化，可使用多元系的原料气体合成复杂的化合物。采用喷嘴导入气体，能以1mm/h以上的速度成膜，通过选择合成温度，调节原料气流量和压力来控制梯度沉积膜的组成与结构2 o2.5 自蔓延高温燃烧合成法自蔓延高温燃烧合成法是一种合成材料的新工艺，它通过加热原料粉局部区域 激发引燃反应，反应放出的大量热量依次诱发邻近层的化学反应，从而使反应自动持续地蔓延下去。具有纯度高、效率高、 耗能少、工艺简单等优点。3梯度功能材料的应用3.1 航空航天工程中的应用在航空航天工程中，推进系统发动机中的燃烧气

8、体通常要超过2000c，对燃烧室壁会产生强烈的热冲击；燃烧室壁的另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用，通常在-200C左右1。这样，燃烧室壁接 触燃烧气体的一侧要承受极高的温度，接触液氢的一侧又要承受极低的温度，一般材 料不能满足这一要求。金属/陶瓷梯度功能材料很好地解决了这一问题，在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种材料之间不出现界面，从 而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较好的新功能。3.2 机械工程中的应用基于均值轴承存在着的极限PV值低与使用寿命短两大缺点，设计了梯度自润滑 轴承,它通过往基体中添加PbCO3粉末，形成PbCO3/Fe合金粉配比的梯度分

9、布，在烧 结过程中PbCO3受热分解产生CO2气体,从而留下孔隙，PbCO3含量不同孔隙率也 就不同，轴承的支承面为100%金属,孔隙率最小，而强度最大摩擦面上为 100%PbCO3孔隙率最大，可以储存更多的润滑剂来维持轴承的自润滑状态。同时 PbCO3分解生成的PbO本身也是一种优良的固体润滑剂。因此，梯度自润滑轴承与 一般的均质含油自润滑轴承相比，极限PV值由2.0MPam/s提高到4.0MPam/s,使用 寿命也提高2倍多。硬质合金是一种具有高硬度、高强度、耐磨性、耐蚀性和膨胀系数小等一系列 优良性能的材料。在机械工业中广泛应用，如切削刀具、矿山的凿岩工具等，但该材料固有的硬脆性与使用过

10、程中要求有良 好的韧性存在矛盾，已成为制约这种材料进一步扩大使用的关键因素。然而 FGM概 念使欧美等先进硬质合金生产厂家先后研究出梯度硬质合金，改变了传统硬质合金 WC/Co比例不变的模式，具表现为表层Co含量低、硬度高、耐磨性好，而芯部Co含 量高、强度大、冲击韧性更好，使合金的强度与韧性得到了很好的协调，当使用这种 梯度硬质合金制成凿岩钻齿时，其工作寿命比传统均质硬质合金钻齿提高了 3倍 8。有研究使用粉末冶金法制得的 Al-Si基梯度轻质合金可以大大提高材料的耐磨 性9。3.3 电磁工程中的应用在电磁工程中，梯度材料具有许多优异的性质，有的能抑制瞬间电流的放大作用 有的剩磁更低，主要用

11、于制作磁盘、永磁体、振荡器等，可以提高产品性能。3.4 生物工程中的应用在生物工程中，许多梯度材料被用作制造牙齿、骨骼、关节、器官和仿生工程 制品，具有高的比强度和比模量10。3.5 核能及电气工程中的应用在核能及电气工程中，梯度热电能转换材料用作高能热电源热电变换元件、集 热器、热发射元件、辐射加热器、发热吸收装置等，具有高的热传导率，高的辐射放热率。对称型梯度热电材料不仅具有高的热传导率、电绝缘性和优异的平面内导电 率，而且具有高的热电转换效率。梯度耐辐射材料应用于核聚变反应器，具有良好的热应力缓和效率5。1.1 功能材料发展现状及展望1.2 梯度功能材料发展现状1984年，日本科学家平井

12、敏雄首先提出了梯度功能材料的新设想和新概念，并展开研究1。日本科学家在1987-1991年的 开发缓和热应力的FGM基础技术研究” 项目中，成功地利用这一思想开发出用于日本 HOPE卫星小推力火箭引擎用的缓和 热应力耐高温材料11。虽然FGM产生的时间并不长，但它很快引起世界各国科学 家的极大兴趣和关注。日本、美国、德国、英国、瑞士等国家都相继开展了FGM的研究12。我国许多高校及科研院所也相继开展了这方面的研究工作，我国梯度功能材料的研究开发起步较晚，研究手段和方法还不完善，但已取得较大进展。1.3 梯度功能材料研究展望梯度功能材料产生二十多年来，取得了快速的发展，但目前仍处在较低水平阶 段

13、。尤其是国内，在这方面研究起步较晚，总体比较落后，针对性应用目标的研究还不 多。梯度功能材料从研究制备到实际应用还有很多难题要解决。其发展趋势主要有 以下几点。(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 13还需要极大地补充、收集和归纳、整理、完善；(2开发大尺寸和复杂形状的FG M制备技术，因为工程中往往需要大型FGM,美 国和日本把对大尺寸FG M的开发作为其重要的开发目标4;(3高分子梯度功能材料的研究。目前有关梯度材料的研究和应用主要局限于金属、陶瓷及其它无机小分子复合材料领域14,而高分子梯度功能材料的研究，国内却几乎是一片空白15。高分子材料作为材料学科

14、的重要分支，必将为梯度功能材料的研究发展提供新 的思路；(4梯度功能材料成分的精确控制与检测。利用计算机实时监控梯度功能材料 的制备过程，精确控制和测定材料的成分梯度，对产品性能的提高和实际科研应用价 值都有很大的帮助。例如已有研究，用计算机对Al/SiC梯度功能材料进行数值模拟 分析，预测评价具有不同梯度的材料相关性质16;(5梯度功能材料实用化推广，实现理论研究向实际应用的转化。5结语梯度功能材料的研究还处在较初级的阶段，但它展示出来的巨大的科研和应用 价值促使其迅速发展。梯度功能材料的开发制备已经成为当今材料科学研究中非常 重要的一部分，尤其是基于其优异的性能和特殊的功能，在功能材料、新

15、材料领域展 现出十分广阔的发展前景。材料对社会发展和科技进步有着至关重要的作用，作为材料领域中的一员，梯度功能材料必将极大地推进社会科技进步，促进整个国民经济 的发展。参考文献1彭琰.材料领域的新葩梯度材料N.科技日报,2000-11-06(0042邹俭鹏等.功能梯度材料的设计与制备以及性能评价J.粉末冶金材料科学与 工程,2005,10(2:78-873王豫，姚凯伦.功能梯度材料研究的现状与将来发展J.物理,2009,29(4:206-2114张幸红，韩杰才等.梯度功能材料制备技术及其发展趋势J.宇航材料工 艺,1999,(2:1-55解念锁.梯度功能材料的制造方法及应用J.陕西工学院学报,

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