现代新型材料与纳米材料NewMaterialsandNanometerMaterials（6）材料科学与工程学院刘颖教授主讲第六讲梯度功能材料GradientFunctionMaterials2主要内容?梯度功能材料的发展?梯度功能材料的原理及特点?梯度功能材料的制备?梯度功能材料的应用3?许多结构件会遇到各种服役条件，因此要求材料的性能应随构件位置不同而不同。?刀具只需刃部坚硬，其它部位需要具有高强度和韧性；?齿轮轮体必须有好的韧性，表面必须坚硬和耐磨；?涡轮叶片的主体必须具有高强度、高韧性和抗蠕变，而它的外表面必须耐热和抗氧化。中国刀?诸如此类，工程应用的许多材料都属于这个范畴。涡轮叶片4?构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集中。如果一种材料过渡到另一种材料是逐步进行的，这些应力集中就会大大地降低。?为减少材料的应力集中，提高材料性能，人们发展了新型的功能梯度材料(简称FGM)。?日本、美国、德国、俄罗斯、英国、法国、瑞士等许多国家都开展FGM的研究，其应用已扩展到宇航、能源、交通、光学、化学、生物医学工程等各领域。航天工业化工工业交通工业5梯度功能材料的发展6?梯度功能材料是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚合物等)于一体的新型材料，其微观结构和物理、化学、生物等单一或综合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能。梯度功能材料制备的耐磨轴承，外表为陶瓷，内表面为金属7?梯度功能材料早就出现在自然界中。?竹子是一种典型的梯度功能材料，人类和动物身体中的骨骼也是一种梯度材料，其特点是结构中的最强单元承受最高的应力。?生物的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大差异。有生命的FGMs是“有智艿摹保悄芨惺芩肪?的变化(包括局部应力集中)，产生相应的结构修改，而人造梯度材料至少在目前还缺乏这种功能。竹子竹节中纤维素含量变化8人体长骨结构示意图9?人造梯度功能材料也不是新事物。越王勾践剑深埋地下2400多年，1965年出土时依旧寒光逼人，锋利无比。?剑的主要成分是铜、锡及少量铝、铁、镍、硫。?剑的各部位铜和锡的比例不一，形成良好的成分梯度。剑脊含铜较多，韧性好，不易折断；剑刃含锡高，硬度大，非常锋利；护手花纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀。10?1900年，美国用明胶作成光折射率沿径向连续变化的圆柱棒，称为梯度折射材料。由于制作工艺没有解决，未能得到实际应用。?1969年，日本板玻璃公司的北野等人制成梯度折射棒材和光纤，达到了实用水平，梯度折射率材料的研究迅速发展起来。中国剑梯度折射玻璃11航天飞机飞行时预想的表面温度?功能梯度材料作为一个规范化正式概念，于1984年由日本国立宇航实验室提出。?航天飞机中，燃烧室内外表面温差达到1000K以上，普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。12?1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出使金属/陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连续变化的热防护梯度功能材料的概念。?1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。热防护梯度梯度复合管13?1993年，美国国家标准技术研究所开始以开发超高温耐氧化保护涂层为目标的大型梯度功能材料研究。?1995年德国发起一项六年国家协调计划，主要研究功能梯度材料的制备。?最近，通过改变复合两相的配制，在复合材料内部形成精细的构造梯度(将预先存在的不同相进行人为组合)。?功能梯度材料已发展为当前结构材料和功能材料研究领域中的重要主题之一。摩擦温升后，梯度材料变化较小，普通材料则变成兰紫色14梯度功能材料的原理及特点15?梯度功能材料由几种性质不同的材料组成，但与复合材料之间有明显区别。梯度功能材料与复合材料比较材料复合材料梯度材料设计思想结合方式微观组织材料优点的相互复合化学键/物理键界面处非均质特殊功能为目标分子间力/化学键/物理键均质/非均质宏观组织功能均质一致非均质（连续变化）梯度化16?梯度功能材料主要通过连续控制材料的微观要素(包括组成、结构)，使界面的成分和组织呈连续性变化，主要特征有：?材料的组分和结构呈连续性梯度变化；?材料内部没有明显的界面；?材料的性质也呈连续性梯度变化。?ZrO2-CrNi合金FGM横截面，白色的陶瓷粉末与黑色的合金粉末含量呈连续性梯度变化，没有明显的界面，17?金属-陶瓷构成的热应力缓和梯度功能材料，对高温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，低温侧壁使用导热和强度好的金属材料。?材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，机械强度逐渐升高。?