梯度功能材料的應用研究及發展趨勢

朱季平，張福豹

（1.南通市生產力促進中心，江蘇 南通 226000；2.南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019）

梯度功能材料的應用研究及發展趨勢

朱季平1，張福豹2

（1.南通市生產力促進中心，江蘇 南通 226000；2.南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019）

介紹了梯度功能材料的特點與制造工藝，分析了目前梯度功能材料制備方法存在的問題以及應用領域。指出梯度功能材料的發展將朝著計算機專家系統輔助設計、低溫制備、統一評價標準的方向發展。

梯度功能材料；制備；發展方向

傳統的材料設計、制備和評價中，人們往往是追求材料的均勻性，以達到材料各部分性能的一致，使材料的性能發揮得最好。后來，復合材料的出現，人們仍然要求組成復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，材料內部的在受到熱沖擊和熱循環時，勻質材料往往達不到所要求的性能，復合材料由于組成成分物性參數或彈性模量相差太大，而在界面處產生很大的應力，甚至使之產生裂紋或剝離。

所以，一種新的材料急需填補空白。1984年，日本材料學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，材料界面處的應力也大大緩解，提高了結合強度。勻質材料、傳統復合材料和梯度材料的組分分布如圖1所示。

圖1 均質金屬、復合材料、梯度功能材料組分分布示意圖

梯度功能材料的研究，主要圍繞材料的設計、制備和特性評價這3個部分展開。

1 梯度功能材料的設計

梯度功能材料設計，是采用逆設計方法，根據材料實際使用的工況條件，得出熱力學邊界條件，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，借助計算機輔助設計和迭代運算，建立準確的計算模型，求得最佳的材料組合、內部組成分布、微觀組織以及合成條件，將獲得的結果提交材料合成部門，根據要求進行梯度功能材料的合成，合成后的材料經過性能測試和評價，再反饋到材料設計部門，經過循環迭代設計、制備及評價，從而研制出實用的梯度功能材料。

熱防護梯度功能材料的逆向設計框圖如圖2所示[1]。

梯度功能材料的設計，主要是計算機輔助設計，可能通過有限元分析對材料梯度層分布進行優化。劉紅兵等人運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行分析計算時指出，梯度層分布可以采用冪函數表示[2]：

其中，

φAl2O3、φ316L分別為 Al2O3和 316L不銹鋼的體積分數；

圖2 熱防護梯度功能材料的逆向設計框圖

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。

分析表明，p=1.0時，所受熱應力最小，涂層承受壓應力作用，梯度層為9時，熱應力緩和作用最好，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構的FGM，FGM真正的實用化就無從談起[3]。目前，最常用的熱防護梯度功能材料，主要是陶瓷/金屬系梯度材料，其制備技術綜合了超細、超微細粉、均質或非均質復合材料等微觀結構控制技術和生產技術，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

氣相沉積技術是較為理想的硬質薄膜制備方法，所制備的膜層致密，不易產生脆性斷裂，結合強度較高，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（如金屬等）蒸發，進而使蒸氣沉積在基體上成膜的方法。該方法的特點，是可以制得多層不同物質的膜，但用該方法制得的膜較薄，每層只能是某一種物質，因而很難制得成分呈連續變化的梯度材料。

化學氣相沉積法，是將氣相的化合物在一定的反應條件下生成的固相沉積在基體上，通過選擇反應的溫度和氣體的壓力與流量等，來控制固相組成的連續變化而制成梯度材料。該方法的特點是可鍍復雜形狀的表面材料，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，且設備要求高，合成速度低[5]。目前，已采用此項技術先后制取了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反應產生的熱量，和反應的自行傳播，進行材料合成的方法。其主要是利用高放熱反應的能量，使化學反應自動持續下去。

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

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、設備簡單、生產效率高、成本低，但產物為疏松開裂狀態，孔隙率高，機械性能較低，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，再壓制燒結而成梯度功能材料。

按燒結工藝的不同，可以分為固相燒結和液相燒結。用傳統的粉末制備工藝生產金屬—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數梯度分布的粉末預制塊，然后通過傳統的固態加工方法，如冷壓和無壓燒結，或熱等靜壓，或在一個密閉模具中的熱壓，使粉末預制塊致密化。該方法易于操作，適用于工業化生產，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，機械性能偏低，成本很高。

液相燒結，是將粉末壓實體加熱到足夠高的溫度，使預制塊中出現液相的燒結過程。對于金屬陶瓷來說，組元相的功能梯度有很大的實際意義，而且在工業上得到應用。對于用粉末冶金法制備梯度W—Cu層片來說，液相燒結優于固態燒結，根據眾所周知的重合金化機制，通過添加Co或Fe激活鎢的燒結。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的金屬和陶瓷界面。在化學組成和成分微觀分布上，表現出良好的梯度分布[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，進一步加速，直接噴到基體上，形成梯度膜層。通過連續調節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。

該方法調節比較方便，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，層間結合力較差，易剝落，材料強度較低，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，從而達到使基材改性的目的[5]。

激光熔覆的熔化，主要發生在外加材料中，基材表面微熔的目的，是使之與涂覆合金達到冶金結合，以增強熔覆層與基材的結合力，并防止基材元素與熔覆層元素的互擴散而改變熔覆層的成分和性能。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，則是材料科學和激光加工領域國內外共同的研究前沿。此種方法的優點是既可以制備FGM覆膜，也可以制取FGM體材。另外，制備時間也遠遠小于氣相沉積法，適應面較廣。其不足之處是制備工藝及設備都比較復雜且昂貴[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合，如PCVD法，PCVD是制備FGM的新趨勢，結合了PVD和CVD的優點。利用CVD溫度一般高于PVD溫度的特點，在基體材料低溫側采用PVD，在高溫側采用 CVD，擴大了使用范圍。

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，能源耗費較大；

（2）制備的材料尺寸較小；

（3）材料中或多或少存在內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，在熱沖擊或熱循環過程中，材料中仍存在較大應力。

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際使用環境，判斷材料是否滿足使用要求。根據性能評價試驗提供的基本數據，完善FGM的優化設計和制造方法，有利于研制出性能價格比優良的FGM。但是，FGM的組分和性能是梯度變化的，現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，國際統一的性能試驗方法評價標準，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：力學性能（主要有彈性模量和斷裂強度、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 梯度功能材料的應用和發展趨勢

梯度功能材料自20世紀80年代中期產生以來，得到了飛速發展。FGM的研究正在向多學科交叉、多產業合作及國際化的方向發展[10]。其應用也不再局限于最初的航空航天領域，逐漸滲透到機械工程、核工程、電子工程和生物醫學等領域，如表1所示。

梯度功能材料主要有以下發展趨勢：

（1）設計方面。首先是非均質材料的組成—結構—性能體系的深入研究，通過完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）；同時大力開發研究計算機輔助FGM設計專家系統，用人工智能理論積累、整理與材料設計、制備、評價有關的數據庫、知識庫，為材料的研制提供實驗設計和優化控制，從而提供設計精度。

表1 梯度功能材料的應用領域和應用范圍

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

（3）特性評價方面。對于以熱應力緩解為主的FGM，應進一步使性能評價的實驗方法標準化，完善評價指標，如長時間使用的性能劣化評價和耐高溫氧化評價等；對于緩和熱應力以外的FGM，則要根據具體應用條件來研究確定評價指標及方法。

5 結束語

梯度功能材料由于本身成分、結構的漸變性所表現出來的性能的梯度性，可以滿足材料在一些極端環境下的使用要求，可以滿足材料的耐熱、耐磨和耐蝕等物理、化學性能要求，充分完善材料設計、制備和材料特性評價方面理論和實踐，促進梯度功能材料向工業化實用化方向發展，其應用也將越來越廣泛。

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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，機械工程師，研究方向為知識產權保護、機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：機電一體化以及新材料研究。