功能梯度材料1217020321

摘要：近年来，功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，FGM)由于其优异的性能和特殊的功能，得到了迅速发展，展现出极大的应用价值。FGM的制备方法主要有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、自蔓延高温燃烧法等。FGM在航空航天、电磁工程、生物工程、核能和电气工程等领域都有广泛的应用。文章综述了FGM的制备方法、特性、在各领域的应用以及发展现状，对未来的发展做了一些展望。

关键词：功能梯度材料；制备方法；特性；应用；发展前景 正文：

引言

功能梯度材料(functional gradient material, FGM)，是指材料的组成、结构、孔隙率等要素沿厚度方向由一侧向另一侧连续变化，使材料的物理、化学、生物等性能沿着厚度方向也发生连续变化，可以适应不同环境，具有特殊功能的新型复合材料。航天技术的发展对材料的性能提出了新的要求，航天飞机长时间在大气层中飞行，机头尖端和燃烧室内壁承受的温度高达2000℃ ，同时航天飞机中的某些部件一侧要承受高温热负荷，另一侧用液氢冷却，两侧温差高达1000℃，使部件内部产生巨大的热应力，传统的单相材料已无法承受这种高温和高温差下的环境。为使材料能在较大温差下的环境中正常工作，20世纪80年代后期，日本学者新野正之等首先提出功能梯度材料的概念。为使材料能在较大温差下的环境中正常工作，功能梯度材料通过金属、合金、陶瓷、塑料等无机物和有机物的巧妙组合，在高温环境和两侧高温差的情况下表现出良好的耐热性、热应力缓和，是传统陶瓷基复合材料无法实现的。很快引起多个国家宇航领域科技工作者的极大关注,功能梯度材料的研究在各国迅速展开,二十多年来,国内外在功能梯度材料的组织结构、性能、制备工艺、设备以及材料的应用方面都取得了令人瞩目的成果。

功能梯度材料制备方法

功能梯度材料的制备方法很多，还有些处于探索研究阶段，常用的方法有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、自蔓延高温合成法、气相沉积法等。 2.1粉末冶金法

粉末冶金法是将10μm～100μm粒径的粉末(金属、陶瓷)充分混合，按设计的梯度分布方式逐层填充或连续成分控制填充，压实后烧结制备FGM。粉末冶金法具有设备简单、易于操作、成本低等优点，但需要对烧结温度、保温时间和冷却速度等工艺进行严格控制。现在用粉末冶金法制出的有W-Cu梯度热沉材料、 HA-Ti/Ti/HA-Ti轴对称生物功能梯度材料、B4C/C功能梯度材料等。 2.2等离子喷涂法

等离子喷涂法以刚性非转移等离子弧为热源，将原料粉末以熔融状态喷射到基体表面形成涂层，通过控制喷涂材料的组分，调节等离子射流的温度和流速，在基体表面获得梯度过渡的涂层。该方法使用粉末作喷涂材料，以气体作载体将粉末吹入等离子射流中, 依靠等离子弧将粉末熔化,熔融的粒子被进一步加速,然后以极高的速度打在经过净化和粗化处理的基材表面,产生强烈的塑性变形,相互挤嵌、填塞,形成扁平的层状结构涂层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例，调节等离子射流的温度及流速，即可调整成分和组织，获得FGM涂层。该方法的优点是可以方便地控制喷涂粉末的成分，沉积效率高，易得到大面积的块材；缺点是得到的材料孔隙度高，层间结合力差，易剥落，强度低。尤其适合于大面积表面热障FGM

涂层。采用该方法已成功制得PSZ/Ni 、NiCrAlY/ZrO2、Cu/W、Ni／Al2O3、WC/Co等梯度涂层。

2.3激光熔覆法

激光熔覆法采用高能激光束作为热源辐照基材表面，同时将原料粉末送至基材表面。原料粉末和基材在激光束作用下共同融化，生成合金相。改变原料粉末成分含量，重复上述过程，即可获得具有一定梯度的材料。激光熔覆技术具有很多优点：可以通过混合不同合金粉末进行成分设计，得到完全致密的冶金结合覆层；熔覆层稀释度小，且可精确控制；由于快速加热和冷却过程，激光熔覆层组织均匀致密，微观缺陷少，性能优于其他工艺生产的复合层性能。该工艺工作快速，但设备成本较高。该方法已应用于航空涡轮发动机叶片、汽车缸体、汽轮机叶片和人体置入件等表面的改善，制备具有生物活性的功能梯度材料将是未来该方法的研究热点。目前，采用此法制备出了Ti/Al、WC/Ni、Al/SiC系功能梯度材料。 2.4自蔓延高温燃烧合成法

自蔓延高温合成法是将构成产物的元素粉末按梯度组成充填，成型后放入反应容器，加热原料粉末局部区域引燃反应，反应放出的大量热量诱发邻近层的化学反应，从而使反应自动持续地蔓延下去，合成所需的材料。该法可用于制备大体积的块材，产物纯度高，能耗少，但只适用于制备放热反应材料体系，且制备出的材料致密性较差，机械强度低，同时自蔓延烧结过程难以控制。目前，采用此法已制备出Al/TiB2、TiB2/Cu、Ni/TiC等梯度材料。 2.5气相沉积法

气相沉积法是将反应物以蒸气的形式反应并沉积在基体材料上， 通过改变蒸气的温度和压力，达到调节和控制薄膜的组成和结构，实现制造梯度功能膜材料的方法。气相沉积法包括化学气相沉积法（ＣＶＤ）、物理气相沉积法（ＰＶＣ）和物理化学气相沉积法（ＰＣＶＤ）。 气相沉积法主要适合制备薄膜梯度功能材料，并且对设备要求高，合成速率低。采用此法已制备出C/C 、Si/C 、Al/Zr、SiC/C/TiC等梯度材料。

功能梯度材料的应用

功能梯度材料在航空航天、生物医学、机械、电磁、核工程、能源、军事、光电、民用及建筑等领域有广泛的应用。 3.1航空航天工程中的应用

在航空航天工程中，推进系统发动机中的燃烧气体通常要超过2000℃，对燃烧室壁会产生强烈的热冲击；燃烧室壁的另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用，通常在-200℃左右。这样，燃烧室壁接触燃烧气体的一侧要承受极高的温度，接触液氢的一侧又要承受极低的温度，一般材料不能满足这一要求。金属/陶瓷功能梯度材料很好地解决了这一问题在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种材料之间不出现界面，从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较好的新功能，可以明显地提高材料的热应力缓和、耐热、耐热冲击、耐腐蚀、耐磨等性能。 3.2光、电、磁工程中的应用

在光、电、磁工程中，梯度材料具有许多优异的性质，在大功能激光棒、复印机透镜、光纤接口的应用使之具有较好的光电效应并起到热应力缓和的作用；在磁盘、永磁体、超导材料电磁屏蔽材料、超生波振荡器上的应用，可减小材料的体积和质量，提高压电、导电及绝缘等性能。

3.3生物工程中的应用

在生物工程中，许多梯度材料被用作制造牙齿、骨骼、关节、器官和仿生工程制品，具有高的比强度和比模量。FGM制造的人造骨骼、人造心脏、人造牙齿、仿生物制品具有极好的生物相容性、柔韧性、耐磨性、耐腐蚀和高的结合强度。FGM人造牙齿，齿根牢固，不易

破坏；FGM人造骨骼使得假体与骨之间具有很强的结合力并耐用，表现出的生物相容性。 3.4核能及电气工程中的应用

在核能及电气工程中，梯度热电能转换材料用作高能热电源热电变换元件、集热器、热发射元件、辐射加热器、发热吸收装置等，具有高的热传导率，高的辐射放热率。对称型梯度热电材料不仅具有高的热传导率、电绝缘性和优异的平面内导电率，而且具有高的热电转换效率。梯度耐辐射材料应用于核聚变反应器，具有良好的热应力缓和效率。 3.5机械工程中的应用

FGM用于切削工具、轴承、地质钻探等材料可显著改善工具的耐热、耐腐蚀、耐磨损、强度和韧性。

3.6 军事、民用及建筑材料中的应用

在军事领域，FGM制成的防弹装甲和起落架应用于坦克和飞机具有高强度、高硬度、耐冲击等性能；在民用及建筑领域，FGM制成的纤维衣物、炊具和建材产品等具有保温、抗折、抗压和减震降噪等功能。

功能梯度材料的特性

4.1材料的结构和组分呈连续性梯度变化； 4.2材料内部没有明显的界面； 4.3材料的性质也呈连续性变化。

功能梯度材料发展现状

1984年，日本科学家平井敏雄首先提出了功能梯度材料的新设想和新概念，并展开研究。日本科学家在1987-1991年的“开发缓和热应力的FGM基础技术研究”项目中，成功地利用这一思想开发出用于日本HOPE卫星小推力火箭引擎用的缓和热应力耐高温材料。虽然FGM产生的时间并不长，但它很快引起世界各国科学家的极大兴趣和关注。日本、美国、德国、英国、瑞士等国家都相继开展了FGM的研究。我国许多高校及科研院所也相继开展了这方面的研究工作，我国功能梯度材料的研究开发起步较晚，研究手段和方法还不完善，但已取得较大进展。

迄今为止,FGM的最直接应用就是前述的航天飞行器材料。这是一种热障型梯度材料，具有一侧耐热隔热及抗氧化(陶瓷)，另一侧高导热及韧性优良(金属)的特性。目前 FGM 的大部分研究都是在此应用背景下展开的。这种隔热耐磨韧性好的梯度材料(或覆层)在机械工程中的应用也十分广阔。另一个 FGM 应用前景很明朗的领域是能源学科，如固体燃料电池、太阳能电池、热电转换装置等。目前对热电转换材料的研究最多。热电转换材料是实现热能与电能间直接转换的功能材料，其物理基础是熟知的Seebeck及Peltier效应。由于它可利用废热发电。或制成空调、冰箱等产品，没有机械运动部分，能耗低，也不需要任何气、液态

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工质，不污染环境，因此极具发展潜力。热电材料的优劣可用优值系数Z来表征：Z=Sσ/k其中S为 Seebeck 系数，σ为电导率，k为热导率。可见，理想的热电材料应具有高σ(电导)低k(热导)的特性。如果将梯度的概念引入，以优化 S，σ，k等参数为设计条件，使热 电材料的组分沿温度梯度方向合理地变化，就可使总的Z值达到极大。已经制备了如 FeSi2 /SiGe、PbTe/PbI2等热电材料，确实明显改善了其热电性能，但仍然存在着优值系数不够高，难以获得大尺寸材料等问题。在其他应用领域，已经有少量的工作开展起来。如Dilish等人采用 sol-gel(溶胶-凝胶)工艺，通过组分的梯度变化，制备了一种新型的有机/无机键合玻璃材料，它兼具有机玻璃的塑性及无机玻璃的刚性特性。在人造生物材料方面，FGM的出现可较好地解决生物相容性及结合强度等问题。但总的来看，已知的 FGM应用领域还不够广泛，有些应用目标尚不够明确。

功能梯度材料研究展望

功能梯度材料由于其优越的性能受到材料学界的高度重视。经过30多年的发展，功能梯度材料的研究在材料设计、制备技术、性能评价方面取得了重大进展，但是由于技术还不够成熟，能用于商业化生产的功能梯度材料较少，只在航空航天和光学领域达到实用化程度。尤其是国内，在这方面研究起步较晚，总体比较落后，针对性应用目标的研究还不多。功能梯度材料从研究制备到实际应用还有很多难题要解决。为满足现代材料的要求，功能梯度材料今后的发展方向将仍以材料设计、制备技术、性能评价为中心，在提高材料设计的精度、制备工艺、建立性能评价的标准和试验方法、应用等方面进行更加深入的研究，生产出性能更加优良、大尺寸、更实用的梯度材料。制备工艺简单、 实用性强的梯度材料将是以后发展的趋势。其发展趋势主要有以下几点： (1) 梯度材料设计的数据库(包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等)还需要极大地补充、收集和归纳、整理、完善；

(2) 开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术，因为工程中往往需要大型FGM，美国和日本把对大尺寸FGM的开发作为其重要的开发目标； (3) 高分子功能梯度材料的研究。目前有关梯度材料的研究和应用主要局限于金属、陶瓷及其它无机小分子复合材料领域，而高分子功能梯度材料的研究，国内却几乎是一片空白。高分子材料作为材料学科的重要分支，必将为功能梯度材料的研究发展提供新的思路；

(4) 功能梯度材料成分的精确控制与检测。利用计算机实时监控功能梯度材料的制备过程，精确控制和测定材料的成分梯度，对产品性能的提高和实际科研应用价值都有很大的帮助。

结束语

功能梯度材料由于本身成分、结构的渐变性所表现出来的性能的梯度性，可以满足材料在一些极端环境下的使用要求，可以满足材料的耐热、耐磨和耐蚀等物理、化学性能要求，充分完善材料设计、制备和材料特性评价方面理论和实践，促进梯度功能材料向工业化实用化方向发展，其应用也将越来越广泛。

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