梯度功能材料

梯度功能材料(functionally gradient materials,FGM) 是兩種或多種材料複合且成分和結構呈連續梯度變化的一種新型複合材料，是應現代航天航空工業等高技術領域的需要，為滿足在極限環境下能反覆地正常工作而發展起來的一種新型功能材料。它的設計要求功能、性能隨機件內部位置的變化而變化，通過最佳化構件的整體性能而得以滿足。

基本介紹

• 中文名：梯度功能材料
• 詞性：名詞
• 分類：材料

組成結構

從材料的結構角度來看，梯度功能材料與均一材料、複合材料不同。它是選用兩種（或多種）性能不同的材料，通過連續地改變這兩種（或多種）材料的組成和結構，使其界面消失導致材料的性能隨著材料的組成和結構的變化而緩慢變化，形成梯度功能材料。

關於FGM 的特點，可以從材料的組合方式來看，FGM可分為金屬/合金，金屬/ 非金屬，非金屬/陶瓷、金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷等多種組合方式，因此可以獲得多種特殊功能的材料。這是FGM的一大特點，FGM的特點也可以從材料的組成的變化來看，FGM可分為（1）梯度功能塗覆型，即在基體材料上形成組成漸變的塗層。（2）梯度功能連線型,即是粘接在兩個基體間的接縫組成呈梯度變化。（3）梯度功能整體型，即是材料的組成從一側向另一側呈梯度漸變的結構材料。因而，可以說FGM具有巨大的套用潛力，這是FGM的另一大特點。

主要種類

首先，梯度功能材料已經慢慢的越來越重要和流行，但是還沒有對其具體專業的介紹，加之，此材料涉及到納米材料，更是未來重要的新型材料．梯度功能材料的英文全拼有兩種：

一是：functionally　graded　materials，簡稱（FGM）的概念是由日本新野正之與平井敏雄等學者於1987年首先提出的，它是指一類組成結構和性能在材料厚度或長度方向連續或準連續變化的非均質複合材料(王志, 李明玲,沈強,張聯盟,武漢理工大學材料複合新技術國家重點實驗室，武漢 430070,濟南大學材料科學與工程學院，濟南 250022)

二是：functional　gradient　materials，是指材料的組成和結構從材料的某一方位一維二 維或者三維）向另一方位連續地變化，使材料的性能和功能也呈現梯度變化的一種新型的功能性材料．（黃敬東，吳俊，王銀平，黃清安．武漢大學化學與分子科學學院，湖北武漢　430072）．

根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。

根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑膠等多種組合方式的材料；

根據其組成變化 FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能塗敷型（在基體材料上形成組成漸變的塗層），梯度功能連線型（連線兩個基體間的界面層呈梯度變化）；

根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等；

根據不同的套用領域有可分為耐熱 FGM，耐沖蝕FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等。

基本性能

由於FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統複合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統複合材料相比FGM有如下優勢:

1)將FGM用作界面層來連線不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結強度;

2)將FGM用作塗層和界面層可以減小殘餘應力和熱應力;

3)將FGM用作塗層和界面層可以消除連線材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;

4)用FGM代替傳統的均勻材料塗層,既可以增強連線強度也可以減小裂紋驅動力。

加工材料

最流行的Ti/Al2O3梯度材料

採用一定梯度複合技術製備的Al2O3系FGM組分從純金屬Ti 端連續過渡到純陶瓷Al2O3端，使材料既具有金屬Ti的優良性能，又具有Al2O3陶瓷的良好的耐熱、隔熱、高強及高溫抗氧化性，同時由於中間成分的連續變化，消除了材料中的巨觀界面，整體材料表現出良好的熱應力緩和特性，使之能在超高溫、大溫差、高速熱流衝擊等苛刻環境條件下使用，可望用做新一代太空梭的機身、燃燒室內壁等以及渦輪發動機、高效燃氣輪機等提供超高溫耐熱材料。

Al2O3系FGM製備技術探索FGM的製備技術種類非常多，但迄今為止，用於Al2O3系梯度功能材料製備的方法主要有以下幾種。

製備方法

1.1　自蔓延高溫合成法

自蔓延高溫合成法（self-prepagating high-temprature synthesis，以下簡稱SHS）作為製備金屬-陶瓷複合材料的新方法起源於20世紀80 年代，在梯度材料製備中套用非常廣泛。它是利用本身的化學反應熱使材料固結的一種方法，前

其基礎是組元之間的化學反應為放熱反應，形成燃燒波能使化學反應自發地維持下去。該法具有製備過程簡單、反應迅速且能耗少、產品純度高、反應轉化率高等優點，但是，利用SHS法製備金屬- 陶瓷複合材料也存在合成產物孔隙率大以及反應過程速度快、溫度高，致使陶瓷相的大小和形貌難以控制等不足，如果在材料製備過程中同時施加壓力，則可以得到高密度的燃燒產品。李益民等人分別採用無壓SHS 法及爆炸固結+SHS兩種方法製備了完整的Al2O3系梯度材料。結果表明，用無壓SHS法製備的FGM緻密度比較低，只有82%，而且材料各個方向收縮率不同，軸向收縮較多，徑向收縮不均勻；而採用爆炸

固結+SHS 法製備的FMG的緻密度達到94%，製品完整無裂紋。

1.2　雷射加熱合成法

雷射是一種受激輻射的特殊光源，經聚焦後可以達到極高的功率密度。20世紀90年代初期，日本學者結成正弘等開創附加溫度雷射掃描燒結PSZ－Mo系梯度材料的新方法，將雷射加工技術引入梯度材料的研究，探討梯度材料常規燒結技術即爐內恆溫燒結法難以解決的不同成分梯度層的燒結溫度差異和收縮量差異的重大難題，展示了雷射加熱源溫度梯度燒結無污染、高效率等優點。雷射在梯度材料製備中的套用還比較少，李克平等人採用雷射加熱製備了Al2O3系FGM，這是國內首例使用雷射加熱法燒結梯度材料粉末坯體。

1.3　乾式噴塗+溫度梯度燒結法

A.OTSUKA]等利用該法在Ti基體上製備了Ti/Al2O3梯度塗層。其主要工藝過程是先將一定混合比的,Ti與Al2O3混合粉末放入等離子氣體室中，利用高頻射流使原料粉末變成超細粒子，然後冷卻，使其轉化成氣溶膠狀態噴塗在Ti基體上，通過控制餵料過程中Ti/Al2O3比例的連續變化，得到Ti/Al2O3梯度塗層，然後將所得塗層連同基體一起放入自製的特殊燒結爐中，利用溫度梯度燒結。為了控制燒結過程中基體與塗層間收縮率差異，製備過程中在Ti 基體中加入5%左右的Ti-或Zr-的氫化物，使二者收縮達到一致，最終得到了與基體結合良好的緻密的Ti/Al2O3梯度塗層。該工藝中運用超細顆粒可以降低製品的燒結溫度，得到的梯度塗層結晶細小、良好，使塗層的性能大大提高，但實驗過程比較複雜，設備要求高。

1.4　顆粒共沉降製備工藝探索

可見，上述Ti/Al2O3系梯度材料現有製備工藝各有利弊，而且都不適合製備大體積以及特異形狀的梯度材料。因此，要加快該體系梯度材料的實用化進程，就必須對現有工藝進行改進或者探索材料製備新工藝。對於金屬—陶瓷梯度材料來說，即要充分發揮其優越的耐熱性能，同時又要大大緩和熱應力，就必須使所得梯度材料的成分和組織在厚度方向上儘可能連續變化，以最大限度地緩和熱應力。為達到這一要求，作者正在探索利用共沉降法製備Ti/Al2O3系梯度材料。

共沉降法製備梯度材料是近年發展起來的一種材料製備新技術，其理論基礎就是stokes定律．

球形顆粒在重力作用下的沉降速度與顆粒的大小與密度有關。可以推論，在一定條件下，同種粉末沉降時，顆粒大的沉降快；不同種粉末共沉降時，顆粒度大的，密度大的沉降快。因而，對於給定的2種粉末，通過調整沉降參數和選擇合適的粉末特性，就可以控制2種粉末的沉降行為，製備出組分連續分布的梯度材料。利用該方法製備FGM具有設備簡單、操作簡便、得到的梯度材料成分漸變性更好等許多特點。共沉降法已經成為梯度功能材料領域的一個重要發展方向，在其理論研究，如沉降模型的建立以及實驗研究等方面已取得了較大進展，利用該法製備Ti/Al2O3系梯度材料既有理論基礎又有實踐優勢．

1.5 氣相沉積法

通過兩種氣相物質在反應器中均勻混合，在一定條件下發生化學反應，使生成的固相物質在基板上沉積以製備FGM。

然而，材料製備工藝的選取以及製備過程中各項參數的確定都不是隨意的，必須建立在對複合體系特性的全面了解和對材料製備工藝、結構形成與性能三者之間關係的深入研究基礎之上。

Ti/Al2O3系梯度功能材料是一種具有優良性能及廣闊套用前景的超高溫耐熱材料。對其製備技術及Ti與Al2O3之間的潤濕性、界面反應情況有了較多的研究，但是對其界面反應的評價體系、界面反應對潤濕性及材料巨觀性能的影響，界面反應模型的建立及2相材料同時燒結緻密化等方面還缺乏研究，只有對體系界面反應、潤濕性的特點和燒結緻密化機理等進行全面的認識、研究，才能開發出適宜的製備技術，並通過採用相應的措施控制其顯微組織，改善材料的巨觀性能，推進Ti/Al2O3系梯度功能材料的實用化進程。

2.2.1　乾法

周靜等人報導了採用等離子噴塗法獲得合金基複合梯度潤滑塗層。採用梯度化結構使得塗層與基體的結合力明顯地提高。

蔡建平等人報導了採用等離子噴塗羥基磷灰石塗層，指出此塗層設計成梯度功能塗層是解決塗層與基體熱應力的行之有效的方法之一。已在鈦合金（Ti6Al14V）基體上成功地製備了等離子噴塗羥基磷灰石梯度功能塗層，在生物醫學上得到套用。

2.2.2　濕法

電沉積法屬於濕法。此方法具有以下優點：1.不需要高溫、高壓、高真空，因而生產設備簡單、投資較少，易操作。2.用電流作還原劑工藝條件易控制，易按梯度化要求進行調整。鍍層的組成和結構能有效地控制。從文獻的報導可知：用電沉積法可以獲得Zn－Fe等梯度功能鍍層。有用單一的鍍Zn－Fe鍍液，通過改變電流密度和鍍液流速來改變鍍層中的Fe的含量，形成梯度鍍層。有的是通過改變各鍍槽間的鍍液組成和鍍液的流速來連續地改變鍍層的組成獲得Zn－Ni 合金梯度鍍層。

發展前景

梯度功能材料研究現狀及展望

FGM的研究由材料設計、材料合成和材料性能評價三個部分組成。材料合成是FGM研究的核心，材料設計則是為FGM合成提供最佳的組成和結構梯度分布，材料性能評價則是建立準確評價FGM性能的一整套標準化試驗方法，依此標準對FGM進行測試並將測試結果及時反饋給材料設計部門．三者緊密相關，相輔相成。材料設計多數採用逆設計系統。首先是按照對材料性能的要求和使用條件，然後查閱材料組成和構造的知識庫，依據設計的基本理論，對材料的組成和結構的梯度分布進行設計。現時，一些新技術、新方法的套用給FGM的研究增添了無窮的活力。例如：計算機輔助設計專家系統對FGM進行模擬設計，文獻已有詳細地描述。另外，用神經網路、有限元法，分形理論進行FGM 的研究。例如據報導了採用德國SIS公司的Anqlisis圖象分析系統的)PRO 版本，測量了ZrO2/Ni系的梯度功能材料的水平面和垂直面的分形維數並初步建立了分形維數與巨觀性能之間的關係。根據分形理論，可以用材料的微觀結構來表征材料的巨觀性能，即是分形維數定量表征梯度功能材料表面微觀形貌及其與性能之間的關係。隨著軟體技術的發展，這一方法將變得更為準確、簡捷。採用直接觀察測試表面的分形特徵用表面形貌來推斷其力學性能，可以省去煩瑣的性能測試，提高效率，降低成本。當然，用分形理論來研究FGM 的性能還有待FGM性能數據的累積和分析方法的完善。

另一個理論分析方法是根據有限元法原理採用有限元分析軟體進行數值計算，得出材料內部溫度、熱應力的大小和分布，並與試驗結果對比，可以對FGM的熱應力緩和特性進行評價。

FGM 的研究的一個重要方面是新的、經濟的FGM製備方法和工藝的開發。期望在改善現有FGM製備工藝的前提下，能開發出經濟的、套用面較廣（大面積、形狀複雜件）的FGM的製備工藝。在這方面，電化學方法（電沉積法）相對於其他方法有較大的優越性和發展空間。值得一提的是：將幾種製備方法綜合地、巧妙地套用也是值得大膽地嘗試的。由於FGM的性能的多樣性和FGM的組成和結構沿某一方位向另一方位梯度變化的特點，使得現有的材料性能評價的原理和測量方法不能完全滿足FGM 性能評價的需求，從FGM研究現狀來看，FGM 性能評價還欠完善，需要建立新的評價理論和方法，提出合理的評價標準，使FGM性能評價標準化。隨著FGM研究的不斷深入，FGM將在航空航天工業、核反應堆、電子、電磁學、感測器、化學、生物醫學乃至日常生活諸領域均有巨大的套用前景。

FGM研究除了在設計、合成與性能評價三方面不斷改進、創新之外，更重要的是：

（1）將$AB 技術與納米技術結合起來研究；

（2）將$AB 技術與智慧型材料系統有機地結合，是本世紀材料科學發展的主導方向之一。