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论梯度功能材料的发展前景与方向

(作者未知) 2009/5/10

   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
   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(未完,下一页

  
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