梯度功能材料的應(yīng)用研究及發(fā)展趨勢

朱季平，張福豹

（1.南通市生產(chǎn)力促進(jìn)中心，江蘇 南通 226000；2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

梯度功能材料的應(yīng)用研究及發(fā)展趨勢

朱季平1，張福豹2

（1.南通市生產(chǎn)力促進(jìn)中心，江蘇 南通 226000；2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

介紹了梯度功能材料的特點(diǎn)與制造工藝，分析了目前梯度功能材料制備方法存在的問題以及應(yīng)用領(lǐng)域。指出梯度功能材料的發(fā)展將朝著計算機(jī)專家系統(tǒng)輔助設(shè)計、低溫制備、統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展。

梯度功能材料；制備；發(fā)展方向

傳統(tǒng)的材料設(shè)計、制備和評價中，人們往往是追求材料的均勻性，以達(dá)到材料各部分性能的一致，使材料的性能發(fā)揮得最好。后來，復(fù)合材料的出現(xiàn)，人們?nèi)匀灰蠼M成復(fù)合材料的各部分成分，分布盡量均勻。但是，在一些特殊場合，需要耐熱、耐磨、耐蝕的要求，材料內(nèi)部的在受到熱沖擊和熱循環(huán)時，勻質(zhì)材料往往達(dá)不到所要求的性能，復(fù)合材料由于組成成分物性參數(shù)或彈性模量相差太大，而在界面處產(chǎn)生很大的應(yīng)力，甚至使之產(chǎn)生裂紋或剝離。

所以，一種新的材料急需填補(bǔ)空白。1984年，日本材料學(xué)家新野正之等人提出了梯度材料的概念，其為一種成分分布沿一定方向呈梯度變化、性能也隨之呈梯度變化的非勻質(zhì)新型材料。材料一面采用耐熱、耐磨、耐蝕的材料，另一面采用具有一定強(qiáng)度和韌性的材料，由于材料成分分布的梯度性，材料界面處的應(yīng)力也大大緩解，提高了結(jié)合強(qiáng)度。勻質(zhì)材料、傳統(tǒng)復(fù)合材料和梯度材料的組分分布如圖1所示。

圖1 均質(zhì)金屬、復(fù)合材料、梯度功能材料組分分布示意圖

梯度功能材料的研究，主要圍繞材料的設(shè)計、制備和特性評價這3個部分展開。

1 梯度功能材料的設(shè)計

梯度功能材料設(shè)計，是采用逆設(shè)計方法，根據(jù)材料實(shí)際使用的工況條件，得出熱力學(xué)邊界條件，然后從已有的材料合成及性能知識庫中，選擇有可能合成的材料組合體系及制備方法，借助計算機(jī)輔助設(shè)計和迭代運(yùn)算，建立準(zhǔn)確的計算模型，求得最佳的材料組合、內(nèi)部組成分布、微觀組織以及合成條件，將獲得的結(jié)果提交材料合成部門，根據(jù)要求進(jìn)行梯度功能材料的合成，合成后的材料經(jīng)過性能測試和評價，再反饋到材料設(shè)計部門，經(jīng)過循環(huán)迭代設(shè)計、制備及評價，從而研制出實(shí)用的梯度功能材料。

熱防護(hù)梯度功能材料的逆向設(shè)計框圖如圖2所示[1]。

梯度功能材料的設(shè)計，主要是計算機(jī)輔助設(shè)計，可能通過有限元分析對材料梯度層分布進(jìn)行優(yōu)化。劉紅兵等人運(yùn)用有限元分析軟件對Al2O3/316L不銹鋼功能梯度材料梯度層成分分布進(jìn)行分析計算時指出，梯度層分布可以采用冪函數(shù)表示[2]：

其中，

φAl2O3、φ316L分別為 Al2O3和 316L不銹鋼的體積分?jǐn)?shù)；

圖2 熱防護(hù)梯度功能材料的逆向設(shè)計框圖

z表示梯度材料下表面到某一成分層的垂直距離；

dFGM表示FGM的總厚度；

p為梯度組成成分分布指數(shù)。

分析表明，p=1.0時，所受熱應(yīng)力最小，涂層承受壓應(yīng)力作用，梯度層為9時，熱應(yīng)力緩和作用最好，而且，梯度層厚度不宜過大。

2 梯度功能材料的制備

材料制備是FGM研究中的核心，制備不了性能良好且滿足形狀和結(jié)構(gòu)的FGM，F(xiàn)GM真正的實(shí)用化就無從談起[3]。目前，最常用的熱防護(hù)梯度功能材料，主要是陶瓷/金屬系梯度材料，其制備技術(shù)綜合了超細(xì)、超微細(xì)粉、均質(zhì)或非均質(zhì)復(fù)合材料等微觀結(jié)構(gòu)控制技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)，使用的原材料可為氣相、液相或固相，主要的制備方法氣相沉積法、自蔓延高溫合成法、粉末冶金法、等離子噴涂法、激光熔覆法等。

2.1 氣相沉積法

氣相沉積技術(shù)是較為理想的硬質(zhì)薄膜制備方法，所制備的膜層致密，不易產(chǎn)生脆性斷裂，結(jié)合強(qiáng)度較高，因而具有良好的耐磨和耐蝕等性能[4]。

氣相沉積法通常分為物理氣相沉積法和化學(xué)氣相沉積法兩種。

物理氣相沉積法，是通過加熱等物理方法使源物質(zhì)（如金屬等）蒸發(fā)，進(jìn)而使蒸氣沉積在基體上成膜的方法。該方法的特點(diǎn)，是可以制得多層不同物質(zhì)的膜，但用該方法制得的膜較薄，每層只能是某一種物質(zhì)，因而很難制得成分呈連續(xù)變化的梯度材料。

化學(xué)氣相沉積法，是將氣相的化合物在一定的反應(yīng)條件下生成的固相沉積在基體上，通過選擇反應(yīng)的溫度和氣體的壓力與流量等，來控制固相組成的連續(xù)變化而制成梯度材料。該方法的特點(diǎn)是可鍍復(fù)雜形狀的表面材料，沉積面光滑致密，沉積率高。

氣相沉積法主要制備薄膜梯度功能材料，但不能制備大厚度的涂層，且設(shè)備要求高，合成速度低[5]。目前，已采用此項(xiàng)技術(shù)先后制取了SiC/C，ZrO2/Cu，TiN/Ti，TiC/SiC 等多種 FGM膜[6]。

2.2 自蔓延高溫合成法（SHS）

自蔓延高溫合成法是一種利用粉末混合物間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，和反應(yīng)的自行傳播，進(jìn)行材料合成的方法。其主要是利用高放熱反應(yīng)的能量，使化學(xué)反應(yīng)自動持續(xù)下去。

用SHS法合成梯度材料時，在參加反應(yīng)的原料粉中，按一定的梯度分布混入不參加反應(yīng)的金屬和陶瓷粉，并通過冷等靜壓等加壓成形后，裝入反應(yīng)器中，從成形體的一端點(diǎn)火燃燒，反應(yīng)自行向另一端傳播，最終燒結(jié)成梯度材料。該方法過程簡單，反應(yīng)迅速，耗能少，純度高，燒結(jié)冷卻到室溫后，金屬側(cè)發(fā)熱量少，處于壓應(yīng)力狀態(tài)，陶瓷側(cè)發(fā)量熱大，處于拉應(yīng)力狀態(tài)，更有利于梯度材料的熱應(yīng)力松弛。

自蔓延高溫合成法只適于生成熱大的化合物的合成，雖耗能少、設(shè)備簡單、生產(chǎn)效率高、成本低，但產(chǎn)物為疏松開裂狀態(tài)，孔隙率高，機(jī)械性能較低，而且適于自蔓延高溫合成的合金系非常有限[5]。

2.3 粉末冶金法

粉末冶金法是將原料粉末均勻混合，然后以梯度分布方式逐層排列，再壓制燒結(jié)而成梯度功能材料。

按燒結(jié)工藝的不同，可以分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。用傳統(tǒng)的粉末制備工藝生產(chǎn)金屬—陶瓷梯度材料，首先要利用刮片法、離心堆積、層堆積方法、粉漿澆注工藝等，人工或自動化方法，來制備含有想要得到的相體積分?jǐn)?shù)梯度分布的粉末預(yù)制塊，然后通過傳統(tǒng)的固態(tài)加工方法，如冷壓和無壓燒結(jié)，或熱等靜壓，或在一個密閉模具中的熱壓，使粉末預(yù)制塊致密化。該方法易于操作，適用于工業(yè)化生產(chǎn)，并且可以制作大尺寸梯度功能材料。

但是該方法不能得到連續(xù)的梯度分布，不能完全消除料層間界面，層與層之間易開裂，孔隙率較高，機(jī)械性能偏低，成本很高。

液相燒結(jié)，是將粉末壓實(shí)體加熱到足夠高的溫度，使預(yù)制塊中出現(xiàn)液相的燒結(jié)過程。對于金屬陶瓷來說，組元相的功能梯度有很大的實(shí)際意義，而且在工業(yè)上得到應(yīng)用。對于用粉末冶金法制備梯度W—Cu層片來說，液相燒結(jié)優(yōu)于固態(tài)燒結(jié)，根據(jù)眾所周知的重合金化機(jī)制，通過添加Co或Fe激活鎢的燒結(jié)。瑞士ZHU J等人通過粉末冶金法，成功地制得了ZrO2/NiCr功能梯度材料。該材料從宏觀上消除了傳統(tǒng)的金屬和陶瓷界面。在化學(xué)組成和成分微觀分布上，表現(xiàn)出良好的梯度分布[7]。

2.4 等離子噴涂法

等離子噴涂法，是用噴槍發(fā)射出等離子射流，將陶瓷和金屬粉末有控制地送入等離子射流中，粉末在被加熱熔融后，進(jìn)一步加速，直接噴到基體上，形成梯度膜層。通過連續(xù)調(diào)節(jié)陶瓷與金屬以及其他組分的比例、輸入條件及等離子射流的溫度與流速等，可以得到所需的組成梯度分布。

該方法調(diào)節(jié)比較方便，沉積率高，較易制得大面積的塊材，尤其適合于幾何形狀復(fù)雜的器材表面梯度涂覆和加工。但該方法制得的梯度材料孔隙率較高，層間結(jié)合力較差，易剝落，材料強(qiáng)度較低，梯度層較薄。采用此法已制備出 TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al系功能梯度材料[8]。

2.5 激光熔覆法

激光熔覆，是利用一定功率密度的激光束照射被覆金屬表層上的具有某種特殊性能的材料，使之完全熔化，而基體金屬微熔，冷凝后在基材表面形成一個低稀釋度的包覆層，從而達(dá)到使基材改性的目的[5]。

激光熔覆的熔化，主要發(fā)生在外加材料中，基材表面微熔的目的，是使之與涂覆合金達(dá)到冶金結(jié)合，以增強(qiáng)熔覆層與基材的結(jié)合力，并防止基材元素與熔覆層元素的互擴(kuò)散而改變?nèi)鄹矊拥某煞趾托阅?。利用高能密度激光束快速加熱和超快速凝固，直接在合金表面制備新型或特種功能表層，則是材料科學(xué)和激光加工領(lǐng)域國內(nèi)外共同的研究前沿。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是既可以制備FGM覆膜，也可以制取FGM體材。另外，制備時間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣相沉積法，適應(yīng)面較廣。其不足之處是制備工藝及設(shè)備都比較復(fù)雜且昂貴[6]。

另外，梯度功能材料的制備方法，還有離心鑄造法、壓滲法、等離子熔覆、電沉積法，以及兩種或兩種以上制備方法的結(jié)合，如PCVD法，PCVD是制備FGM的新趨勢，結(jié)合了PVD和CVD的優(yōu)點(diǎn)。利用CVD溫度一般高于PVD溫度的特點(diǎn)，在基體材料低溫側(cè)采用PVD，在高溫側(cè)采用 CVD，擴(kuò)大了使用范圍。

2.6 制備方法主要存在的問題

目前，制備方法主要存在以下問題：

（1）材料制備主要采用高溫法，能源耗費(fèi)較大；

（2）制備的材料尺寸較小；

（3）材料中或多或少存在內(nèi)界面和分布不均勻性，由于制備方法的限制，存在臺階梯度，材料分布不能平滑分布，在熱沖擊或熱循環(huán)過程中，材料中仍存在較大應(yīng)力。

3 材料的特性評價[9]

梯度功能材料的性能評價，是指測定FGM的各種性能或模擬材料的實(shí)際使用環(huán)境，判斷材料是否滿足使用要求。根據(jù)性能評價試驗(yàn)提供的基本數(shù)據(jù)，完善FGM的優(yōu)化設(shè)計和制造方法，有利于研制出性能價格比優(yōu)良的FGM。但是，F(xiàn)GM的組分和性能是梯度變化的，現(xiàn)有材料性能評價的基本原理、測試手段和分析方法，對FGM已難以適用，國際統(tǒng)一的性能試驗(yàn)方法評價標(biāo)準(zhǔn)，也沒有完全建立。

目前常用的FGM性能評價與測試方法，有以下幾種：力學(xué)性能（主要有彈性模量和斷裂強(qiáng)度、疲勞性能、耐磨性、顯微硬度、壓縮性能等方面的評價）；熱震性能以用熱處理性能評價。

4 梯度功能材料的應(yīng)用和發(fā)展趨勢

梯度功能材料自20世紀(jì)80年代中期產(chǎn)生以來，得到了飛速發(fā)展。FGM的研究正在向多學(xué)科交叉、多產(chǎn)業(yè)合作及國際化的方向發(fā)展[10]。其應(yīng)用也不再局限于最初的航空航天領(lǐng)域，逐漸滲透到機(jī)械工程、核工程、電子工程和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如表1所示。

梯度功能材料主要有以下發(fā)展趨勢：

（1）設(shè)計方面。首先是非均質(zhì)材料的組成—結(jié)構(gòu)—性能體系的深入研究，通過完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計算機(jī)模擬對材料性能進(jìn)行理論預(yù)測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）；同時大力開發(fā)研究計算機(jī)輔助FGM設(shè)計專家系統(tǒng)，用人工智能理論積累、整理與材料設(shè)計、制備、評價有關(guān)的數(shù)據(jù)庫、知識庫，為材料的研制提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計和優(yōu)化控制，從而提供設(shè)計精度。

表1 梯度功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍

（2）材料制備方面。開發(fā)可合成大尺寸及復(fù)雜形狀的FGM合成技術(shù)；開發(fā)更精確控制梯度組成的技術(shù)，如計算機(jī)控制的梯度鋪墊系統(tǒng)；深入研究制備工藝機(jī)理，如SHS法的反應(yīng)機(jī)理，粉末冶金發(fā)的成型及燒結(jié)機(jī)理、氣相沉積機(jī)理等，尤其要加強(qiáng)非平衡系統(tǒng)的研究。制備工藝向低溫制備以及多種制備工藝相結(jié)合的方向發(fā)展。

（3）特性評價方面。對于以熱應(yīng)力緩解為主的FGM，應(yīng)進(jìn)一步使性能評價的實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)化，完善評價指標(biāo)，如長時間使用的性能劣化評價和耐高溫氧化評價等；對于緩和熱應(yīng)力以外的FGM，則要根據(jù)具體應(yīng)用條件來研究確定評價指標(biāo)及方法。

5 結(jié)束語

梯度功能材料由于本身成分、結(jié)構(gòu)的漸變性所表現(xiàn)出來的性能的梯度性，可以滿足材料在一些極端環(huán)境下的使用要求，可以滿足材料的耐熱、耐磨和耐蝕等物理、化學(xué)性能要求，充分完善材料設(shè)計、制備和材料特性評價方面理論和實(shí)踐，促進(jìn)梯度功能材料向工業(yè)化實(shí)用化方向發(fā)展，其應(yīng)用也將越來越廣泛。

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Application Research of Functionally Gradient Materials and Their Development Trend

ZHU Ji-ping1，ZHANG Fu-bao2
(1.Productivity Promotion Center of Nantong,Nantong Jiangsu 226000，China;2.School of Electrical Engineering,Nantong University,Nantong Jiangsu 226019，China）

The properties and preparation techniques of functionally gradient materials(FGM)are described;the disadvantages of their preparation at present are also discussed.FGM is developing in the direction of computer expert system aided design,preparation under low temperature and uniform evaluation criteria.

FGM;preparation;development trend

TB34

A

1672-545X（2011）09-0135-04

2011-06-10

朱季平（1955—），男，江蘇南通人，機(jī)械工程師，研究方向?yàn)橹R產(chǎn)權(quán)保護(hù)、機(jī)電一體化以及新材料研究；張福豹（1982—），男，江蘇南通人，講師，碩士研究生,研究方向：機(jī)電一體化以及新材料研究。