功能梯度材料的概述

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摘 要：功能梯度材料是一种新型复合材料，本文阐述功能梯度材料的概念，表征，制备方法及应用。

关键词：功能梯度材料(FGM) 概念 表征 性能 制备 前景

1 概述：

功能梯度材料（Functionally Graded Materials,简称FGM）是采用先进的材料复合技术, 使材料的组成、结构沿厚度方向呈梯度变化的一种新型的非均质复合材料。FGM的概念是由日本学者平井敏雄、新野正之等人于1987 年提出的为了解决在设计制造新一代航天飞机的热应力缓和问题的材料。在航天飞机推进系统并列喷气燃烧器或再用型火箭燃烧器中, 由于气体燃烧温度高达2000℃ , 燃烧室壁承受的热负荷可达100MW/m2, 因此用做燃烧室壁的材料对耐热性、隔热性、耐久性和强韧性有很高的要求。最初研究的FGM是表面使用温度达2000K、表里温度相差约1000K 的新型超耐热材。

2 表征:

2.1 基于梯度源的功能梯度材料表示方法

基于梯度源的功能梯度材料实体模型由香港大学的Y. K. Siu 和S. T. Tan,提出该模型将实体的几何元素 (如点、线、面)作为梯度源,记录该梯度源下的材料成分方程f ( d )及材料数组M, 其中, 材料成分方程f ( d)由各点到梯度源的垂直距离来记录实体内部材料分布情况.

2.2 基于力学性能和玻璃化转变温度的功能梯度材料表示方法

通过均匀分散碳纳米填料制备FGM ,用玻璃化转变温度和应力与应变行为的梯度来表征这些材料。当油含量沿着薄层厚度从0 份变为100 份时,FGM 的玻璃化转变温度Tg从- 56 ℃变为- 80 ℃。油含量的变化也使拉伸强度、弹性模量、拉断伸长率等沿厚度发生变化。FGM 的机械性能和Tg 的这种变化有助于在过渡区的低温环境下(即- 56 ℃～80 ℃) 既保持弹性又具有强度。

3 制备方法:

3.1 电沉积法

在含有某种金属离子的电解溶液中将被沉积工件作为阴极，通过一定波形的低压直流电，使金属离子不断在阴极上沉积为金属的过程。主要的工艺方法有电镀、电泳和电铸。该法的优点是对所镀材料的物理、力学性能破坏较小，且设备简单，制备成本低。

3.2化学镀

由溶液中的还原剂把金属离子还原为金属沉淀在基体材料上的一种工艺方法。该法的优点是操作温度低、不需要压力、设备简单、镀层厚度可操纵，并且可以加工任意复杂形状的零部件等。

3.3 离心铸造法

将熔体在凝固过程中析出的初生相作为增强相，使其在离心力场中凝固，利用初生相与金属熔液间的密度差， 从而在材料中形成梯度的组织或成分分布，得到自生功能梯度复合材料。通过改变转速、颗粒大小、加工时间、温度和密度来控制成分的梯度分布。该方法优点很多： 增强颗粒与金属熔体的润湿性较好； 增强颗粒与基体金属的界面结构较好； 工艺设备简单， 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等。

3.4等离子喷涂法

等离子喷涂法是将熔融状态的喷涂材料, 用高速气流使之雾化并喷射在基材表面上形成喷涂层的一种表面加工方法。用该方法制作的涂层为层状结构, 这种技术可用来制作较厚涂层。该方法的关键是如何控制陶瓷和金属的混合比、输送条件和流速,从而使涂层成分梯度变化尽量小。该方法的优点没有氧化性气体作为工作气体，涂层致密度高等。

4 应用

尽管功能梯度材料以热应力缓和为设计中心，但是随着科技的进步，FGM迅速发展, 已经涉及到航空、航天、兵器、电子、机械、医学等各个领域, 而且已取得了一定成果, 且具有广阔的发展前景。

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