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功能梯度材料
(Functionally graded materials)

  功能梯度材料(Functionally Graded Materials,简称FGM)是指构成材料的要素(组成、结构)沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续梯度变化,从而使材料性质和功能也呈梯度变化的一种新型材料。这种材料的概念是由日本学者平井敏雄等人于1987年首先提出的,该材料的应用目标主要是航天飞机的防热系统和发动机。

  与宏观均质复合材料相比,功能梯度材料的成分和结构在每一处都是有控制地连续改变的。其特点是构成材料的组成、显微结构(陶瓷、金属、显微气孔等)不仅是连续分布、适应环境,而且是可以控制的。以航天飞机用的超耐热材料构件为例,在承受高温的表面,设计和配置耐高温陶瓷;在与冷却气体接触的表面,设计采用导热性和强韧性良好的金属;而在两个表面之间,采用先进的材料复合技术,通过控制金属和陶瓷的相对组成及组织结构,使其无界面地、连续地变化,就得到一种呈梯度变化的材料。从陶瓷过渡到金属的过程中,耐热性逐渐降低,强度逐渐升高,在材料中部热应力达到最大值,从而实现热应力缓和功能。鉴于FGM具有组成和显微结构连续变化、适应环境和可设计性的特点,其应用领域已从航空航天拓展到核能、生物医学、机械、石油化工、信息、民用及建筑等其他诸多领域。
  
  FGM的研究主要包括材料设计、材料制备和材料特性评价等三个部分,三者相辅相成。

  FGM的设计:首先根据材料的实际使用要求,进行材料内部组成和结构的梯度分布设计。在设计时,以知识库为基础选择可供合成的材料组成和制备技术,然后选择表示梯度变化的分布函数,并以材料基本物性数据库为依据进行功能(温度、热应力等)的解析计算,最后将最优设计方案提交材料合成部门。
FGM的合成或制备:即根据材料设计的结果,采用适当的方法制备出符合实际应用目标的FGM。制备出的FGM可以是金属-金属、金属-陶瓷、非金属-非金属、非金属-陶瓷等。功能梯度材料制备的关键是控制材料结构,使组成和显微结构按照要求逐渐变化。目前FGM的制备方法主要有气相沉积法、粒子排列法和电沉积法。气相沉积法包括化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)。CVD法通过控制反应气控制材料的梯度,用此法已制备出SiC-C、C-Si等FGM。PVD法通过金属源加热蒸发,并控制氧、氮和碳化物反应气体的流量来控制材料的梯度。用PVD法已制备出了Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN等FGM。粒子排列法可分为粒子排列烧结法、等离子喷涂法和自蔓延高温合成等类型。粒子排列烧结法是使金属和陶瓷粉末的组成符合最佳梯度分布,压实后烧结即可制得FGM。等离子喷涂法是通过控制喷枪的送粉量来控制材料的梯度组成。自蔓延合成是先将原料用积层法制好,然后局部点火,自行完成整个制备过程。电沉积法是利用电镀原理,通过改变镀液流速,电流密度或粒子浓度来制备FGM。

  FGM的特性评价:由于其性能沿厚度方向变化及功能的多样性,很难采用传统的测试方法来评价其性能。因此需要建立准确评价FGM特性的一整套标准化试验方法,并将有关测试结果及时反馈回材料设计部门建立FGM特性数据库。

  从发展趋势来看,功能梯度材料的研究已从最初的概念设计、基础研究和原理性演示,逐步走向把实验室成果向实用化方向转化和推进。今后FGM的研究仍以材料设计、合成和评价为中心,不断完善设计、评价系统,针对具体目标合成大规模的实用材料。

郭全贵 供稿

From 新型炭材料 2003 Vol.18 No.2 P.158