《梯度复合材料》PPT课件.ppt

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1、梯度功能复合材料梯度功能复合材料 Functionaily Gradient Composite Materials 复合材料复合材料08-108-1班班第四小组第四小组梯度功能复合材料梯度功能复合材料 有志者，事竟成，破釜沉舟，有志者，事竟成，破釜沉舟，百二秦关终属楚；百二秦关终属楚；苦心人，天不负，卧薪尝胆，苦心人，天不负，卧薪尝胆，三千越甲可吞吴。三千越甲可吞吴。梯度功能复合材料梯度功能复合材料 人造梯度功能材料并不是新事物。越王勾践剑深埋地人造梯度功能材料并不是新事物。越王勾践剑深埋地下下2400多年，多年，1965年出土时依旧寒光逼人，锋利无比。年出土时依旧寒光逼人，锋利无比。197

2、7年年12月，复旦大学与中科院等对剑进行了无损检月，复旦大学与中科院等对剑进行了无损检测。发现其主要成分是铜、锡及少量的铝、铁、镍、测。发现其主要成分是铜、锡及少量的铝、铁、镍、硫。剑的各个部位铜和锡的比例不一。剑脊含铜较多，硫。剑的各个部位铜和锡的比例不一。剑脊含铜较多，韧性好，不易折断；刃部含锡高，硬度大，使剑非常韧性好，不易折断；刃部含锡高，硬度大，使剑非常锋利；花纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀锋利；花纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀,形成了良好的形成了良好的成分梯度。成分梯度。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

3、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FGM是“有智能的”，它们能感受所处环境的变化(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。梯度功能复合材料竹子竹子竹节中纤维素含量变化竹节中纤维素含量变化梯度功能复合材料梯度功能复合材料一、产生背景一、产生背景二、概念二、概念三、设计过程三、设计过程四、制备工艺四、制备工艺五、发展方向五、发展方向六、应用六、应用梯度功能复合材料梯度功能复合材料 产生背景产生背景 人类很早就认识到非均匀材料广泛存在于自然界中，如岩石、竹子、牙齿、骨骼等生命或非生命物体，并且其中一些的应用已有数千年的

4、历史。世纪年代以来，随着航空航天工业的发展，材料的隔热成了最大的问题，特殊的服役环境致使一般的匀质材料面临着高温和大的温度梯度的挑战，即使足采用陶瓷或金属复合材料，由于两者的热膨胀系数的差异，在高温使用时也会产生巨大的热应力，导致在材料表层出现剥落或龟裂，使材料失效。梯度功能复合材料梯度功能复合材料 产生背景产生背景 针对这种情况，日本科学家于年首先提出了的概念。下图为的示意图。的主要优势体现在可以连接种不相容的材料，提高粘结强度，减小不同材料之间的残余应力和裂纹驱动力，消除不同材料界面的交叉点。梯度功能复合材料 概念 梯度功能材料梯度功能材料(FGM)是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯

5、度变化的一种新型复合材料；它要求功能、性能随内部位置的变化而变化，实现功能梯度的材料。FGM，又称倾斜功能复合材料。梯度功能复合材料 概念 材料显著特征：组分结构及物性参数都呈连续变化;同一件材料的两侧具有不同性质或功能，且能完美结合;在苛刻的使用条件下性能匹配而不发生破坏。梯度功能复合材料 概念金属陶瓷金属非金属陶瓷陶瓷非金属塑料陶瓷非金属金属/金属梯度功能材料组合方式上分梯度功能复合材料 概念、组成变化上分：（1）梯度功能整体型(从一侧到另一侧组成梯度变化)（2）梯度功能涂履型(涂层的组成梯度变化)（3）梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化)、功能上分：（1）热防护梯度功能材料 （2）折

6、射率梯度功能材料梯度功能复合材料 概念注意：注意：梯度材料与合金材料、复合材料的区别梯度材料与合金材料、复合材料的区别梯度功能复合材料梯度功能复合材料 设计过程设计过程一般采用逆设计系统，其设计过程如下：一般采用逆设计系统，其设计过程如下：a.通过计算机辅助设计系统通过计算机辅助设计系统，根据指定的材料结构形状和受热环根据指定的材料结构形状和受热环境，得出热力学边界条件；选择有可能合成的材料组配和恰当的境，得出热力学边界条件；选择有可能合成的材料组配和恰当的制造方法；制造方法；根据材料的物理参数及控制梯度变化的适宜条件，根据材料的物理参数及控制梯度变化的适宜条件，进行温度分布解析和热应力解析，

7、探索比应力达最小值的组成分进行温度分布解析和热应力解析，探索比应力达最小值的组成分布形状或材料组配。布形状或材料组配。b.b.把获得的结果作为进行梯度功能材料的制备依据把获得的结果作为进行梯度功能材料的制备依据。一般先制备出一般先制备出较小的试件；然后进行扩大性试验。较小的试件；然后进行扩大性试验。c.c.将其用于实际环境中进行试验将其用于实际环境中进行试验。粉末冶金法将金属、陶瓷等粉末按一定将金属、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到模具中梯度分布直接填充到模具中加压烧结；也可将不同组分加压烧结；也可将不同组分粉末压成薄膜粉末压成薄膜/片后进行叠层片后进行叠层烧结。烧结。控制各组分混合比，使压

8、后控制各组分混合比，使压后的粉坯梯度层间任一组分浓的粉坯梯度层间任一组分浓度变化较小，梯度层间接合度变化较小，梯度层间接合紧密。紧密。调节粉末粒度分布和烧结工调节粉末粒度分布和烧结工艺，可得良好热应力缓和的艺，可得良好热应力缓和的梯度功能材料。梯度功能材料。通过粉末混合烧结形通过粉末混合烧结形成的成的FGM结构示意图结构示意图粉末冶金法按其成型工艺可分为直接填充法喷射积层法薄膜叠层法离心积层法粉浆浇注法1.直接填充法 混合粉体经造粒、调整流动性后直接按所需成分在压模内逐层充填，并压制成型。此法虽工艺简便，但其成分分布只能是此法虽工艺简便，但其成分分布只能是阶梯式的。阶梯式的。梯度功能复合材料梯

9、度功能复合材料 制备工艺制备工艺2.喷射积层法 原料粉体各自加入分散剂搅拌成悬浮液，混合均匀后，一边搅拌混合，一边用压缩空气喷射到预热的基板上，通过计算机控制粉末浆的流速及X-Y平台的移动方式，即可得到成分连续变化的沉积层。喷射沉积层经干燥后冷压成型，在热压烧结即得到FGM。该工艺的最大特点是：可连续改变粉末积层该工艺的最大特点是：可连续改变粉末积层的组成，控制精度高，是很有发展前途的梯的组成，控制精度高，是很有发展前途的梯度基层法度基层法。3.薄膜叠层法 在陶瓷和金属粉末体原料中加入微量粘结剂与分散剂，用振动磨混合制浆并经减压搅拌脱泡，用刮浆刀制成厚度10200um的薄膜，将不同比例的薄膜叠

10、层压制，脱除黏合剂后，加压烧结陈阶梯状FGM。要注意调节粉末粒度分布和烧结收缩的均匀性，防止烧结式出现裂纹和层间剥落。4.离心积层法 将原料粉末体快速混合后送入高速离心机中，粉末在离心力作用下紧密沉积于离心机内壁，改变混合比可获得连续成分梯度分布，经过注蜡处理后，离心沉积具有一定生坯强度，可经受切割、冷压等后续成型加工，最后再烧结处理即可。该工艺沉积速度极快，目前实验室规模下，沉积直径15mm、高5mm、壁厚510mm的FGM圆环仅需5min。5.粉浆浇注法 将原料粉均匀混合成浆料，通过连续控制粉浆配比，注入模型内部，可得到成分连续变化的试件，经干燥在热压烧结成FGM等离子喷涂法等等离离子子体

11、体喷喷涂涂能能同同时时熔熔化化难难熔熔相相和和金金属属，通通过过控控制两种粉末的相对供给速率来预先设置混合比率。制两种粉末的相对供给速率来预先设置混合比率。使使用用粉粉末末作作为为喷喷涂涂材材料料，以以氦氦气气、氩氩气气等等气气体体为为载载体体，吹吹入入高高温温等等离离子子体体射射流流。等等离离子子体体射射流流把把能能量量传传递递给给颗颗粒粒，粉粉末末被被熔熔融融后后进进一一步步加加速速，高高速速冲冲撞撞在在基基材材表表面面形形成成涂涂层层。高高速速使使颗颗粒粒撞撞到到固固体体基基底底上上时时变变得得相相当当扁扁平平，使使涂涂层层具具有有相相对对低低的的孔隙率。孔隙率。化学气相沉积法化学气相沉

12、积法两两种种气气相相物物质质在在反反应应器器中中均均匀匀混混合合，在在一一定定条条件件下下发发生生化化学学反反应应，使使生生成成的的固固相相物物质质在在基基板板上上沉沉积积以以制制备备FGM的的方法。方法。CVD法法可可通通过过选选择择合合成成温温度度、调调节节原原料料气气流流量量和和压压力力等等来来控控制制FGM各各组组元元的的成成分分和和结结构构，而而且且可可镀镀复复杂杂形形状状的的表表面面；沉沉积积面面光光滑滑致致密密，沉沉积积率率高高，成成为为制制备备复复杂杂结结构构的的FGM涂层关键技术之一。涂层关键技术之一。CVD工艺原理图工艺原理图物理气相层积法物理气相层积法PVD法法是是通通过

13、过物物理理法法使使源源物物质质加加热热蒸蒸发发，进进而而在在基基板上沉积成膜的一种制备材料的方法。板上沉积成膜的一种制备材料的方法。PVD法可制备多层不同物质的膜法可制备多层不同物质的膜；PVD法法得得到到的的膜膜较较薄薄，每每层层膜膜是是单单纯纯某某物物系系，常常和和CVD法结合使用；法结合使用；目目前前已已制制出出TiC/Ti、TiN/Ti、CrN/Cr、TiAlN/Ti和和SiC/C/TiN等多层梯度功能材料。等多层梯度功能材料。PVD镀膜器件镀膜器件激光熔敷法激光熔敷法把把材材料料A放放到到基基底底B表表面面上上，用用激激光光将将其其与与B基基体体中中表面薄层一起熔化，在表面薄层一起熔

14、化，在B表面形成表面形成B合金化的合金化的A层。层。重复操作，在重复操作，在B表面产生表面产生B含量逐渐减少的梯度。含量逐渐减少的梯度。梯梯度度变变化化可可通通过过控控制制初初始始A层层的的数数量量、厚厚度度及及熔熔区区深深度来获得。度来获得。激光熔覆将材料激光熔覆将材料A合金化到材料合金化到材料B制备制备FGM示意图示意图自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法通通过过初初始始反反应应物物浓浓度度分分布布的的空空间间变变化化，利利用用粉粉末末混混合合物物化化学学反反应应产产生生的的热热量量和和反反应应自自传传播播性性，使使材材料料燃燃烧烧和合成来制备和合成来制备FGM的方法称为自蔓延高温合成法。的方

15、法称为自蔓延高温合成法。该该法法的的特特点点是是利利用用放放热热反反应应的的能能量量使使化化学学反反应应自自动动持持续续下下去去，操操作作简简单单，反反应应迅迅速速，最最适适合合于于生生成成热热大大的的化合物的合成如化合物的合成如AlN、TiC、TiB2等。等。自蔓延高温合成自蔓延高温合成自蔓延合成材料自蔓延合成材料梯度功能复合材料梯度功能复合材料 发展方向发展方向（）性能评价方面（）性能评价方面 对于常规的工程材料，在性能测定上一般认为是均匀材质，只有在特殊要求下才考虑材料的各向异性；对于，它的组成和性能是呈梯度变化的，用常规的测试方法失去了实际意义，而国内外也没有建立统一的标准，它已成为制

16、约发展的因素之一。梯度功能复合材料梯度功能复合材料 发展方向发展方向（）性能评价方面（）性能评价方面 目前的性能大多建立在与普通材料（如机体材料）对比的基础上，因此选择适合的检测手段和建立统一的评价体系显得尤为重要。性能评价主要包括：热性能评价，包括热应力缓和特性评价、热疲劳特性评价、隔热性能评价、热冲击性能评价。其它性能评价，如的耐磨、耐腐蚀、电磁、耐辐射等性能的评价方法也值得研究和探索。梯度功能复合材料梯度功能复合材料 发展方向发展方向（）制备工艺方面（）制备工艺方面 常规的制备方法一般只能制造尺寸小、形状简单的。开发和应用新的制备技术，如仿生法、微波合成与烧结法、分子自组装法、无压浸渗法

17、、超分子复合法、快速成型法、形变与马氏体相变法等，深入研究电、磁、光、高能射线等对工艺的影响，为梯度材料的制备提供更广阔的途径。梯度功能复合材料梯度功能复合材料 发展方向发展方向（）计算机模拟方面（）计算机模拟方面 根据材料实际的服役环境，使用计算机寻找合适的梯度材料体系并根据制备工艺选择合适的成分梯度，为新材料的研制提供理论依据；同时使用数值模拟软件对已经存在的梯度材料体系进行优化，包括影响材料整体性能的成分分布、应力分布等。梯度功能材料的应用梯度功能材料的应用航天工业航天工业航航天天飞飞机机在在往往返返大大气气层层的的过过程程中中，机机头头前前端端和和机机翼翼前沿服役温度约前沿服役温度约2

18、000K，冷表面的温度低于，冷表面的温度低于1000K。把把直直径径为为11.5 m的的高高纯纯石石英英纤纤维维加加压压成成型型，1290烧烧成成后后再再按按要要求求切切成成外外形形不不同同、大大小小不不等等的的“砖砖块块”，粘粘贴贴到到航航天天飞飞机机蒙蒙皮皮上上。这这种种复复合合材材料料防防热热系统的重复使用性、可靠性等存在很大问题。系统的重复使用性、可靠性等存在很大问题。发现号航天飞机的陶瓷热防护盔甲发现号航天飞机的陶瓷热防护盔甲2003年年2月月1日，日，“哥伦比亚哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因就号航天飞机爆炸，原因就是这架航天飞机是这架航天飞机左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡左翼在

19、起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击沫绝缘材料撞击，造成机体表面隔热保护层出现了大面，造成机体表面隔热保护层出现了大面积松动和破损，形成可让积松动和破损，形成可让“热气进入的空洞热气进入的空洞”，返航途，返航途中因超高温空气入侵而彻底解体。中因超高温空气入侵而彻底解体。起飞时燃料箱上的脱落物击中机翼起飞时燃料箱上的脱落物击中机翼飞机的左翼上有两条清晰的裂纹飞机的左翼上有两条清晰的裂纹 在两种表面按照基体在两种表面按照基体/陶瓷比率设计具有梯度的金陶瓷比率设计具有梯度的金属基或碳基复合结构可解决上述问题。属基或碳基复合结构可解决上述问题。设计梯度热防护功能材料设计梯度热防护功能材料船舶工业

20、船舶工业在舰船甲板上可采用含热障的、抗摩擦或抗冲击在舰船甲板上可采用含热障的、抗摩擦或抗冲击的梯度功能材料涂层，或设计连续增强纤维排列的梯度功能材料涂层，或设计连续增强纤维排列的逐级梯度，显著提高它们的缺口阻力，抑制微的逐级梯度，显著提高它们的缺口阻力，抑制微观裂纹扩张，观裂纹扩张，大幅改善甲板的抗高应变速率变形大幅改善甲板的抗高应变速率变形和冲击性能，对舰船的防护及搭载飞行器具有重和冲击性能，对舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义。要意义。航空母舰甲板航空母舰甲板汽车工业汽车工业为为对对柴柴油油机机或或汽汽油油机机活活塞塞头头进进行行热热保保护护，需需在在钢钢基基底底上上喷喷涂涂厚厚度度大大于

21、于2mm的的ZrO2涂涂层层。如如果果直直接接在在金金属属上上覆覆盖盖陶陶瓷瓷，在在构构件件投投入入使使用用前前就就会会导导致致界界面面脱脱层。层。通通过过覆覆盖盖一一些些陶陶瓷瓷含含量量不不断断增增加加的的金金属属-陶陶瓷瓷复复合合梯梯度涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。度涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。柴油机活塞头柴油机活塞头汽油机活塞头汽油机活塞头能源工业能源工业核核反反应应堆堆内内壁壁温温度度高高达达数数千千K，其其内内壁壁材材料料采采用用单单纯纯双双层层结结构构，热热传传导导不不好好，孔孔洞洞较较多多，热热应应力力下下有有剥剥离倾向。离倾向。采采用用金金属属/陶陶瓷瓷结结合

22、合的的梯梯度度材材料料，能能消消除除热热传传递递及及热热膨膨胀胀引引起起的的应应力力，解解决决界界面面问问题题，可可替替代代目目前前不不锈锈钢钢/陶瓷复合材料。陶瓷复合材料。核反应堆核反应堆光学器件工业光学器件工业梯梯度度功功能能材材料料推推动动一一个个新新的的光光学学分分支支-梯梯度度折折射射率率光光学学的的形形成成，在在光光学学器器件件中中有大量应用。有大量应用。梯梯度度折折射射率率透透镜镜体体积积小小、焦焦距距短短、消消像像差差性性好好，组组成成的的光光学学系系统统可可大大大大减减少少非非球球面面组组件件数数，简简化化光光学学器件结构器件结构。梯梯度度折折射射率率光光纤纤可可以以自自聚聚

23、焦，提高耦合效率。焦，提高耦合效率。梯度折射透镜梯度折射透镜棒透镜棒透镜生物医学工业生物医学工业羟羟基基磷磷灰灰石石(HA)陶陶瓷瓷和和钛钛或或Ti-6Al-4V合合金金组组成成的的梯梯废废功功能能材材料料可可作作为为仿仿生生人人工工关关节节和牙齿。和牙齿。HA是是生生物物相相容容性性优优良良的的生生物物活活性性陶陶瓷瓷，钛钛及及其其合合金金生生物物相容性也很好，强度高，相容性也很好，强度高，人人造造牙牙的的齿齿根根外外表表采采用用耐耐磨磨性性优优良良的的HA陶陶瓷瓷，内内部部采采用用可可承承受受较较大大变变形形的的钛钛或或Ti-6Al-4V合金。合金。梯度功能材料制成的人造牙梯度功能材料制成的人造牙梯梯度度功功能能材材料料是是一一种种设设计计思思想想新新颖颖、性性能能优优良良的的新新材材料料，将将FGM结结构构和和FGM化化技技术术与与智智能能材材料料系系统统有有机机地地结结合合起起来来，将将会会给给材材料料科科学学带带来来一一场场新新的革命。的革命。梯梯度度功功能能材材料料被被认认为为是是21世世纪纪材材料料科科学学的的一一个个重重要发展方向。要发展方向。