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functionallygradedmaterials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。比较项目设计思想组织结构组合方式微观和宏观组织功能梯度材料旨在服务于特殊功能10nm—10mm分子间力物理键化学键微观：均质或非均质宏观：非均质梯度化混合材料功能结合均可物理结合或各种化学键结合微观：均质或非均质宏观：非均质一致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/Al2O3，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Al2O3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Al2O3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。WangRuigang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Al2O3/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]WangRuigang，PanWci，ChenJian，eta1．FabricationandcharacterizationofmachinableSi3N4／h—BNfunction—allygradedmaterials[J]．MaterialsResearchBulletin，2002，37(7)：1269-1277．[4]王瑾.Al2O3/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