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梯度功能材料的研究进展
梯度功能材料的研究进展 摘 要:本文介绍了梯度功能材料(functionally graded materials简写为 FGM)的基本概念、分类、性质和制备方法的基本原理, 综述了国内外FGM的研 究和应用现状, 提出了FGM在应用方面尚需解决的一些问题，并展望了梯度功能 材料的发展前景与方向。关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展 Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present. Key words :FGM；
composite；
the Advance 0 引言 信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞 争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水 平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综 合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展 的先导,是21世纪高科技领域的基石。
近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的 交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需 要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种 新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性 能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所 以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1 FGM概念的提出 当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当 航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其 燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2, 其空气入 口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作 燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温 差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层 材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。
为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡 边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯 度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3]。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材 料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的 要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质 和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2 FGM的特性和分类 2.1 FGM的特殊性能 由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它 能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统 复合材料相比FGM有如下优势: 1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由 端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱 动力。
2.2 FGM的分类 根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分 为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；
根据其组成变化 FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯 度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两 个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；
根据不同的梯度性质变化分为密度FGM， 成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；
根据不同的应用领域有可分为耐热FGM， 生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3 FGM的应用 FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM 研究的不断深入,人们发现 利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM, 并可望应用于许多领域。
功 能应 用 领 域 材 料 组 合 缓和热应 力功能及 结合功能 航天飞机的超耐热材料 陶瓷引擎 耐磨耗损性机械部件 耐热性机械部件 耐蚀性机械部件 加工工具 运动用具:建材 陶瓷 金属 陶瓷 金属 塑料 金属 异种金属 异种陶瓷 金刚石 金属 碳纤维 金属 塑料 核功能 生物相溶性 及医学功能 人工牙齿牙根 人工骨 人工关节 人工内脏器官:人工血管 补助感觉器官 生命科学 磷灰石 氧化铝 磷灰石 金属 磷灰石 塑料 异种塑料 硅芯片 塑料 电磁功能 电磁功能 陶瓷过滤器超声波振动子 IC 磁盘 磁头 电磁铁 长寿命加热器 超导材料 电磁屏避材料 高密度封装基板 压电陶瓷 塑料 压电陶瓷 塑料 硅 化合物半导体 多层磁性薄膜 金属 铁磁体 金属 铁磁体 金属 陶瓷 金属 超导陶瓷 塑料 导电性材料 陶瓷 陶瓷 光学功能 防反射膜 光纤;透镜;波选择器 多色发光元件 玻璃激光 透明材料 玻璃 折射率不同的材料 不同的化合物半导体 稀土类元素 玻璃 能源转化功能 MHD 发电 电极;池内壁 热电变换发电 燃料电池 地热发电 太阳电池 陶瓷 高熔点金属 金属 陶瓷 金属 硅化物陶瓷 固体电解质 金属 陶瓷 电池硅、锗及其化合物 4 FGM的研究 FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。
4. 1 FGM设计 FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使 用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于 上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布 和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中 最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三: 1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采 用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统, 得出最优的设计方案。
4. 2 FGM的制备 FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构 能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法 (PM) ,自蔓延高温合成法(SHS) ;涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法, 气相沉积包含物理气相沉积(PVD) 和化学相沉积(CVD) ;形变与马氏体相变[10、 14]。
4. 2. 1 粉末冶金法(PM) PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原 料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法 可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有 一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等 静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备 简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严 格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。
4. 2. 2 自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 简称SHS或Combustion Synthesis) SHS 法是前苏联科学家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃烧反应时, 发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反 应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去, 利用反应热将粉末 烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
SHS 法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适 合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系, 金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔 隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS 法己制备出Al/ TiB2 , Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4. 2. 3 喷涂法 喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。
通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔 化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程 序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经 被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆 (PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4. 2. 3. 1 等离子喷涂法(PS) PS 法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形 成等离子体,其温度高达1 500 K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离 子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1. 5 km/ s。
原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂 的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉 积层。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 可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成 分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积 的块材[10],但梯度涂层与基 5 FGM的研究发展方向 5.1 存在的问题 作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在 一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]: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）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯 度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠 地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性 模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型， 并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价 值;
6)成本高。
5.2 FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19- 6 结束语 FGM 的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开 发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在 向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。
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