梯度功能材料的研究进展
菏泽学院学报2007年10
月
JournalofHezeUniversityOct. 2007Vol.29 No.5
文章编号:1673-2103(2007)05-0051-05
第29卷第5期
梯度功能材料的研究进展
李杨,雷发茂,姚敏,李庆文
1
2
1
3Ξ
(1.湘南学院物理系,湖南郴州423000;2.湘南中学,湖南郴州423000;3.郴州职业技术学院,湖南郴州423000)
摘 要:介绍了梯度功能材料的概念和开发背景,着重论述了梯度功能材料设计、制备与性能评价方面的研究现状与应用前景。
关键词:梯度功能材料;材料设计;材料制备;性能评价中图分类号:TB33 文献标识码:A
化,且能实现某种特殊功能的先进材料[9]。FGM具
有均质和合金化材料所不具备的许多优点。FGM最初是从航天领域发展起来的。FGM的研究已由,由最初的耐高温热、电子信息工程、光。
,其飞行速8M。其机头尖端和发动机燃烧室温度达2000℃以上;而燃烧室的另一侧用液氢冷却时,内外
引言
梯度功能材料是一种新型的复合材料。它是为
满足材料在反复变化的极限温度环境下(如超高温、大温度落差)仍能正常工作而研究与开发的[1]。梯度功能材料的概念是由日本学者新野正之(NiinoM)、平井敏雄(HiraiT)和渡边龙山(WatanabeR)1987年首先提出来的。,了一项为期五年的“础技术的研究”应力缓和型FGM[2,德、美、俄、法、瑞士等国也先后开始了梯度功能材料的研究[4]。第一届国际FGM研讨会于1990年在日本仙台召开,之后,每两年举办一届。我国曾于2002年在北京主办过第七届梯度功能材料国际研讨会(FGM2002)[5]。第九届梯度功能材料国际研讨会(FGM2006)于2006年10月15日至18日在美国檀香山召开。
1989年,袁润章从分子、原子复合角度提出了
侧温差达1000℃以上,巨大的温差使材料内部产生
极大的热应力。将陶瓷涂敷在耐高温金属的表面制成的复合材料,由于金属和陶瓷之间存在明显的界面,界面处材料的热膨胀系数、导热率等性能发生突变。两侧的温度过大,界面处产生很大的热应力,导致深层裂缝,剥落,使材料失效。而FGM是在与高温接触的一侧使用耐热性好,抗氧化性高的陶瓷;温度较低的另一侧采用导热性能好机械强度高的金属。中间过渡层的组织、结构性能连续变化,即形成梯度分布,从而得到一种非均质材料———FGM。FGM使热应力缓和,材料内部无明显的界面,满足了使用要求。均质金属材料、普通复合材料和梯度功能材料的结构与性能的区别,如图1所示。
制备梯度材料的思想[6],并领先开展了FGM的研发。而后,武汉工业大学,中南大学,哈尔滨工业大学,上海硅酸盐研究所,钢铁研究总院等多家单位相继开展了FGM的研究工作[3,7,8]。中国已将FGM的研究与开发列入国家高技术“863”计划,FGM已成为材料研究的前沿课题。
2 FGM的应用领域
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。FGM的
1 梯度功能材料的特性
梯度功能材料(FGM)是组成和性能呈连续变
Ξ
收稿日期:2007-07-09
基金项目:湖南省教育厅自然科学基金资助项目(06C794)
作者简介:李杨(1963-),男,湖南宜章人,副教授,研究方向:工程材料。
51
20075应用见表1
。性能评价。FGM的研究开发体系如图2所示。
图2 FGM研究开发体系
3.1 FGM设计
FGM的设计一般采用逆设计系统。即根据使
图1 均质、复合及梯度材料结构与性能的比较
表1 FGM的应用和材料组合
功 能
应 用 领 域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:建材原子炉构造材料材 料 组 合陶瓷 金属陶瓷 金属塑料 金属异种金属异种陶瓷金刚石 金属塑料 遮避材料磷灰石 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
用条件对材料的组成和结构梯度分布进行设计。以热应力缓和和型FGM为例的设计过程是:根据指定
的材料结构形状及受热环境,得出热力学边界条件,从已有材料合成性能的数据库中,选择有可能合成的金属-;假定金属相,用热弹性,进行温度分布模拟和热应力模拟,寻求最优设计的组成分布形状及材料体系。反复上述过程可得到热应力最小的组合和梯度成分的
FGM。最后将设计结果提交材料合成部门,合成后的材料经过评价再反馈到材料设计部门。赵军等[10]提出梯度功能陶瓷刀具材料的设计模型,通过合理地控制刀具材料的组成分布和微观结构,以使材料于制备过程中形成有利的残余应力来抵消切削过程中的应力,同时兼顾材料制备的完整性原则,设计和制造了性能优异的梯度功能陶瓷刀具材料。3.2 FGM的制备
梯度功能材料的制备方法很多,其中有些方法还处于开发或探索阶段。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(PVP)和化学相沉积(CVP);形变与马氏体相变。3.2.1 粉末冶金法(PM)[11]
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,
缓和热应
力功能及结合功能
核功能
人工牙齿牙根人工骨
生物相溶性
人工关节
及医学功能
人工内脏器官:人工血管补助感觉器官
陶瓷过滤器超声波振动子
IC
电磁功能
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防反射膜
光纤;透镜;波选择器多色发光元件玻璃激光
MHD发电电极;池内壁
光学功能
能源转化功能
热电变换发电燃料电池地热发电太阳电池
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。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
3 FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料52
2007:5
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等[2]。3.2.2 自蔓延高温合成法(SHS)[12,13]
SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年
3.2.6 气相沉积法[15]
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM。该法的缺点是不能制备大厚度的板材,设备
研究Ti和B的然烧反应时,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,最后合成新的化合物。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。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC等。现在,有许多国家致力于SHS法制造FGM的研究。3.2.3 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
[4]
要求高,合成速度低。气相沉积按机理的不同分为
物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。
1)物理气相沉积法(PVD)
PVD法是通过加热固相源物质,使其蒸发为气
μ相,然后沉积于基材上,形成约100m厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[16]。
2)化学气相沉积法CCVD电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,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末送至等离子射流中,,,化成细小的熔滴,,快速冷却固结,形成沉积层例,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。其特点是沉积速率高,无需烧结,不受基材面积大小的限制。尤其适合于大面积表面热障FGM涂层。3.2.4 激光熔覆法
激光熔覆法是将混合后的粉末通过喷嘴喷在基体表面,再改变激光功率、光斑尺寸和扫描速率来加热粉体,在基体表面形成熔池,在此基础上进一步通过改变粉末成分向熔池不断喷粉,重复以上过程,即可获得梯度涂层。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[14]。3.2.5 电沉积法电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合并控制注入速率而改变组成比,在电场作用下电荷的悬浮颗粒就在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料。该法工艺简单,操作方便,成型压力和温度低,生产成本低廉等。但该法只适合于制造薄箔型梯度功能材料。
。其特点是沉积速法形成固相膜的速度快十余,FGM薄膜,易实现分散相浓度的连续变化,缺点是不能像PVD那样精确控制成分变化。日本东北大学金属材料研究所用该法制备了C/C、Si/C、Ti/C系的FGM。3.2.7 形变与马氏体相变
通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe———18%,Cr———8%,Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α
体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景[17]。3.3 FGM的特征评价
由于FGM的特性沿厚度方向连续变化等功能的多样性,因此很难采用传统的测试方法评价其性能。目前对FGM的特性没有统一尺度,日本、美国正致力于制订统一标准的研究。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价。
53
200754 FGM的发展前景展望
值得指出的是,材料中梯度非均质结构的概念所蕴含的意义非常深远。最近在生命科学研究中,已经提出了胚胎中存在着决定发育的关键性力学物质,其结构成分在特定的方向上呈梯度分布,并建立了梯度结构理论。这使得FGM领域与生物学领域有机地结合起来。在未来的发展时期,下列方面将是研究的热点。4.1 基础理论方面[5]
FGM的宏细观性能与微观结构之间的关系,耦
供实验设计和优化控制,从而提高设计精度[18]。
4.4 材料制备方面
开发可合成大尺寸及复杂形状的FGM合成技术,开发更精确控制梯度组成的技术。如计算机控制的梯度铺垫系统,深入研究制备工艺机理,特别是其中力、电、磁、光、热特性进行详尽研究[1]。4.5 特性评价方面
对于以热压力缓解为主的FGM,应进一步使特性评价的实验方法标准化,完善评价指标。
5 结语
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。FGM的研究和发展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。
合热弹性分析方法的研究.
1)FGM结构热断裂力学,热载作用下的裂纹问题,热载作用下的裂纹问题;
2)FGM的热损伤力学,损伤发展和材料性能降低的演化关系;3)FGM在高温下的热弹性效应以及材料特性与温度的关系;
4)FGM的热弹性优化理论,优化原则问题;5)FGM的热弹塑性,问题;
6)FGM与温度的关系。4.2 结构分析方面[]
1)FGM结构(板、壳)的屈曲、后曲特性的分析;2)FGM结构的大挠度变形分析;3)FGM厚板、扁壳等特殊结构的性能分析;4)FGM结构的热力学的优化分析模型,动态热载作用下的模型;5)FGM结构的热传递,相容性热力学分析;6)FGM结构的热界面,界面反应层形成机理;7)FGM结构的热力学疲劳断裂,热弯曲疲劳断裂特征。
另外,在进行FGM热/机械分析和结构设计时,还应考虑材料的制备以及结构成型过程中的工艺力学问题。测试方面应解决高温测试技术问题以及损伤检测问题,系统分析方面应解决针对性强的专用分析评价系统的开发问题。4.3 设计方面
首先是非均质材料的组成-结构-性能体系的深入研究,注重物理机理的理论研究。尤其需要对材料的晶面(或界面)进行研究。进一步研究和探索统一的、准确的材料模型和力学模型。大力开发研究计算机辅助FGM设计专家系统,为材料的研制提54
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TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
LIYang1,LEIFa2mao2,YAOMin1,LIQing2wen3
(1.DepartmentofPhysics,XiangnanUniversity,ChenzhouHunan423000,China;
2.XiangnanMiddleSchool,ChenzhouHunan423000,China;
3.ChenzhouVocationalandTechnicalCollege,ChenzhouHuan423000,China)
Abstract:TheconceptandthedevelopmentbackgroundofFunctionallyGradientMaterials(FGM)areintroducedinthepaper.ThecurrentstatusoftheresearchandtheapplicationpropectsfabrictationandofFGMisespeciallydiscussed.
Keywords:FGM;materialsdesign;materialssynthesis;(上接第11页)
StabilityofaClassofTime2DelayedDifferentionalEquations
JIAGuan2jun
(DepartmentofMathematics,HezeUniversity,HezeShandong274015,China)
Abstract:Basedonthestabilitytheoryoftime2delayeddifferentialequations,Krasovskii’smethodisextended,andthestabilityofaclassoftime2delayeddifferentialequationsisinvestigatedinthispaper.Anumericalexamplesisgiventoil2luminatethevalidityoftheresultsderived.
Keywords:Lyapunovstability;Krasovskii’smethod;Vfunction;time2delayeddifferentialequations
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