梯度复合材料

课程论文

学院：化学与材料科学学院

专业：材料化学

梯度复合材料

摘要：梯度复合材料，是一种结构组成沿厚度方向阶梯性变化的材料，导致材料的不同部位具有不同的使用性能，以便于更加适合材料的工作环境，是一种新型的复合材料。梯度复合材料结构和性能的可控性使其广泛应用于航空航天、计算机线路板、装甲以及光学仪器等领域，因此对梯度复合材料的研究日益重要。本文将详细介绍梯度复合材料的现状、性能、制备及其应用与发展等方面。

关键词：梯度复合材料；性能可变性；制备；应用

正文：

1、 梯度复合材料的研究背景

1.1梯度复合材料的由来

早在大自然中，就出现了很多典型的梯度复合材料，比如岩石、竹子和人类与动物的骨骼，只不过相对于这些植物，人类的骨骼是一种“智能”梯度复合材料，他们能根据环境的变化产生相应的结构性能变化，而竹子或人造梯度复合材料是不同的部位有不同的结构，能承受的应力不同，性能也不尽相同，缺乏智能性。

上个世纪，随着航空航天的发展，人们对材料的要求也越来越高，而材料的隔热成为了航空航天材料最大的问题。特殊的服役环境使一般的材料面临着高温和较大的温度梯度的挑战。针对这个问题，日本科学家新野正等人在1987年首次提出“功能梯度复合材料”的概念，即functionally graded materials 简称FGM 。

1.2梯度复合材料的介绍

梯度复合材料的定义为：以计算机辅助设计为基础，采用先进的材料制备技术，使材料的组成、结构沿厚度方向呈梯度变化，从而使材料的性能也呈梯度变化的一种材料。与普通材料不同，它是选用两种（或多种）性能不同的材料，通过连续地改变这两种（或多种）材料的组成和结构，来使材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能复合材料。正因为它的性能可控性、可设计性和可变性，使得梯度复合材料具有巨大的应用前景。 下图即为材料的示意图，他可以连接两种不相容的材料，提高粘结强度，消除不同材料之间的残余应力和裂纹驱动力，消除不同材料的交叉点，并使得功能和性能因为内部位置不同而不同，从而使性能实现梯度变化。

材料的突出特性有：材料的结构和性能等可连续变化，同一材料的不同部位具有不同的

性能，组分可完美结合，在极端环境下可适应环境变化而不发生破坏。为突出其特点，下图将对梯度复合材料与混合材料进行详细比较。

1.3梯度复合材料的分类及现状

根据不同的分类标准有不同的分类。根据材料的组合方式，分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料，金属/金属，金属/非金属，塑料/金属，塑料/非金属等多种组合方式的材料； 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）；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；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM 、生物FGM 、化学工程FGM 、电子工程FGM 等。

目前使用最广泛的梯度功能复合材料为Ti/Al2O 3，它采用一定梯度复合技术制备的，使材料从纯金属Ti 端连续过渡到纯陶瓷Al 2O 3端，这种梯度复合技术让材料具备了金属Ti 的优良性能，又具有Al 2O 3陶瓷的良好的耐热性、高强度及高温抗氧化性。并且复合时使中间成分连续变化，使整体材料表现出良好的热应力缓和特性，使之能在超高温、大温差、高速热流冲击等苛刻环境条件下使用。各种优化使得梯度复合材料在制作航天飞机的机身、燃烧室内壁等耐高温部件等方面具有不可比拟的优势[1]。

2、 梯度复合材料的制备

目前的制备方法主要有离心铸造法、粉末冶金法(此法又包含直接填充法、流延法和离心积层法) 、离子喷涂法、气相沉积法、自蔓延高温燃烧法、激光熔覆法、无压渗透法和电沉积法[2]。

离心铸造法，制造成本低且可以大批量生产，能制造出连续梯度变化的功能梯度复合材料，适用于制备大块组分的材料，因此这种制备方法使用广泛。它是将两种密度不同的固液两相混合，然后再离心场的作用下分离。固相按一定梯度沉积于试样外侧，液相凝固后即可形成梯度复合材料。但一般这种方法制备的材料浸润性较差，仅适用于制备圆筒类铸件并且两种组分需要有交大密度差。

粉末冶金法，是将原料粉末按不同比例混合，混合好后的材料以一定比例层积排列再

压制烧结。直接填充法，把原料粉末按设计好的比例混合，然后根据所需梯度直接在压模内逐层填充，高温烧结制成梯度复合材料，此法流程简便，易于生产，但是不能呈现连续梯度性。Wang Ruigang 等人把梯度复合材料的概念引入到可加陶瓷的范畴 ，利用直接填充法制备了Si3N4／h —BN 梯度复合材料[3]。流延法，在陶瓷和金属粉体中加入分散剂震动磨细减压除泡，用流延机压制成薄膜，按不同配比将薄膜压制，脱添加剂后高温烧结成膜，此法制备的材料也不是连续梯度。离心沉积法，将混合好的粉末材料或浆料迅速送入离心机中，利用离心力将不同组分分离，成型后可制得所需材料。通过粉末冶金法制得的Al 2O 3/Cu材料[4]，还具有优良的耐磨性。而制备的SiCp/Ni梯度复合材料[5]具有很好的热震性。如下图所示，含有不同体积分数增强体的相邻两层界面保持良好的完整性, Ni 基体完好的熔为一体, 保持良好的连续性, 梯度层间界面消失, SiC 与Ni 结合良好, 呈现出良好的颗粒增强梯度复合材料的组织特征。

等离子喷涂法，是把原料粉末喷入等离子射流中，利用等离子产生的高温高热，把原料以不同比例在熔融态喷到基体表面形成涂层。在此过程中，还可通过调节射流的速度和温度来改变组分构成。这种方法沉积速率高，易得到大块材料，但制得的材料致密性差，易脱落。

气相沉积法中的物理气相沉积法，用高温加热使金属蒸发，加入氧气、氮气和碳氢化合物使之与蒸汽反应，产物附着在基体表面，形成梯度复合薄膜材料。化学沉积法，将金属、类金属卤化物加热分解，与基体表面反应并沉积来制备精确度高强度高的材料。化学法比物理法沉积速度快，且化学法适用于小尺度材料。

自蔓延高温燃烧合成法，利用反应自身发生放出的热量促进反应自发进行，并使材料表面熔化，熔化后的基体与产物结合冷却生成梯度复合材料。比较适合制备大尺度，形状复杂的材料，不过仅适用于放热反应，这与制备原理密不可分，而且材料致密性也较差。

激光融覆法，是将混合好的粉末通过喷枪涂敷在基材表面，然后通过改变激光功率 、光斑大小和扫描速度来加热粉体，并在基材表面形成熔池，在此基础上通过改变粉末组成 ，并不断的向熔池中喷粉，就可以获得功能梯度涂层[6]。激光熔覆法的主要优点在于它既可以制备FGM 覆膜，也可以制取FGM 体材，适应面较广。但是操作十分复杂，界面润湿性较差，影响强度。下图即为通过此法制备的材料和镍基合金。

无压渗透法，需要先制备出以一定梯度变化孔隙率的预制件 ，再对预制件浸渗熔体，改善两者的润湿状况，尽可能的润湿。浸渗熔体可通过空隙自发填充。此法可以制备出高增强相体积分数的材料，但目前还无法制备出三维尺寸较大的功能梯度材料。

电沉积法，通过直流电，在液相中进行传质和沉积，后在低温下制备功能梯度材料。这种方法原料范围广，速率快，制备工艺流程简便，而且提高了材料的性能。

以上均是梯度复合材料的制备方法，可以说制备方法多种多样，针对不同种类的材料，可以选择不同的制备方法，优化制备流程。加上现代计算机技术等各种技术发达技术，使材料的可设计性大幅度加强，成本也会大大降低。

3、 梯度复合材料应用与展望。

3.1梯度复合材料的应用

梯度复合材料最初应用于航空工业，因此至今都在航空航天方面发展比较快。它具有较高机械强度、抗热冲击、耐高温性能，广泛应用于航空器件中，作为航天飞机的超耐热材料。并且可以用来制作陶瓷引擎、耐磨耗损性机械部件、耐热性机械部件、耐蚀性机械部件、加工工具等。也应用于船舶工业，在舰船甲板上可采用抗摩擦抗冲击的梯度复合材料涂料，抑制微裂纹生长，改善甲板的抗冲击性能和抑制形变，加长使用寿命，加大承重能力。在汽车工业中，可以显著改善汽车各部分的承重能力，使得汽车具有更加优异的性能。核反应堆温度特别高，普通材料达不到预期的效果，而梯度复合材料很好地弥补了这个缺点，它能消除热传递和热膨胀引起的应力，解决界面问题，作为原子炉构造材料、核融合炉内壁材料、放射性遮避材料等。部分材料具有良好的生物相容性，用来制作的梯度复合材料可以应用于生物医学方面，比如制作人造骨骼、牙齿、关节、血管等。还可应用于光学器件中，梯度折光率透镜就是一个典型的例子，可以自聚焦，提高偶和效率。

除此之外，梯度复合材料还应用于制造多模光纤，在极端条件下使用。作为超导材料 电磁屏避材料、高密度封装基板、压电陶瓷防反射膜、陶瓷纤维[7]、透镜、波选择器、多色发光元件、玻璃激光材料、不同的化合物半导体、梯度复合耐火材料[8]、电池材料、地热发电材料、太阳电池材料、高熔点金属复合材料等。总之几乎可以应用在各个领域，并且发挥自己独特的优势。

如下图，展示了梯度复合材料的典型应用。

3.2梯度复合材料的发展

首先，材料的设计需要与计算机技术结合，这样才能充分发挥可设计性和可控性，根据我们的需要，设计出可行性的梯度复合材料，进一步为实现材料智能化做铺垫。为此可以做一个材料类的详尽数据库，记录材料的物理参数，性能特点，制备方法和优缺点等。建立模型，揭示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。致力于开发低成本、自动化程度高、操作简便、能制作大尺寸和复杂形状部件的制备技术，开发更精确控制梯度组成的制备技术，使得梯度复合材料耐热性、抗腐蚀性、强度、韧性等各种性能更加优越。

4结语

以上便是我对梯度复合材料的理解，详细介绍了这种材料的定义、特点、制备、应用和发展，相信在不久的将来，梯度复合材料不会再因为成本高或者制备技术达不到而不为人所知。随着科技和经济的发展，它一定会得到更加广泛的应用。

参考文献：

[1] 王曼霞. 航天用应用复合材料的应用研究现状与展望[J].中国航天，1991（8）：31-34

[2] 袁秦鲁, 胡锐, 李金山. 梯度复合材料制备技术研究进展[J].兵器材料科学与工程，2003,26（6）:66-68

[3] Wang Ruigang，Pan Wci，Chen Jian ，et a1．Fabrication and characterization of machinable Si 3N 4／h —BN function— ally graded materials[J]． Materials Research Bulletin， 2002，37(7)：1269-1277．

[4] 王瑾. Al 2O 3/Cu梯度复合材料的制备及磨损性能研究[J].重庆工学院学报，2006

（5）:48-50

[5] 解念锁. SiCp/Ni梯度复合材料的制备与热震性能研究[J].陕西工学院学报，2003,19

（1）

[6] 张永忠, 石力开. 梯度复合材料激光熔化沉积成形的研究进展[J].中国材料进展，

2010,29（11）:22-23

[7] 朱秀容，董文俊，费良君. 陶瓷纤维增强梯度铝基复合材料研究[J].宇航材料工艺，2000（3）:42-43

[8] 徐玉红，韩敏芳. 梯度复合SiC 耐火材料研究进展[J].真空电子技术，2007（4）:39-40