梯度材料

梯度材料

梯度材料,嚴格意義上講,應該稱作“梯度功能複合材料”(簡稱FGM),又稱傾斜功能材料。古人很早就根據這種思路來煉鐵,在日本出土的一把劍刃上,我們可以看到劍鋒、刃部和主體的顏色是不同的,這說明它們的成分也是不同的。大自然早就把這個概念引入生物組織中了,例如,動物的骨頭就是一種梯度結構,外部堅韌,內部疏鬆多孔。廚房使用的一把菜刀刀刃部需要硬度高的材料,而其他部位的材料則應該具有高強度和韌性。

簡介


當代高新技術的飛躍發展,引起材料科學領域內的不斷變革,使得各種適應高新技術發展的新材料應運而生。梯度材料正是適應了這種需要,成為材料領域綻開的一朵新葩。

概念


所謂梯度材料,嚴格意義上講,應該稱作“梯度功能複合材料”(FunctionallyGradientMaterials,簡稱FGM),又稱傾斜功能材料。
一般複合材料中分散相是均勻分佈的,整體材料的性能是同一的,但是在有些情況下,人們常常希望同一件材料的兩側具有不同的性質或功能,又希望不同性能的兩側結合得完美,從而不至於在苛刻的使用條件下因性能不匹配而發生破壞。從太空梭的推進系統中最有代表性的超音速燃燒衝壓式發動機為例,燃燒氣體的溫度通常要超過2000℃,對燃燒室壁會產生強烈的熱衝擊;燃燒室壁的另一側又要經受作為燃料的液氫的冷卻作用,通常溫度為-200℃左右。這樣,燃燒室壁接觸燃燒氣體的一側要承受極高的溫度,接觸液氫的一側又要承受極低的溫度,一般材料顯然滿足不了這一要求。於是,人們想到將金屬和陶瓷聯合起來使用,用陶瓷去對付高溫,用金屬來對付低溫。但是,用傳統的技術將金屬和陶瓷結合起來時,由於二者的界面熱力學特性匹配不好,在極大的熱應力下還是會遭到破壞。針對這種情況,1984年,日本科學家平井敏雄首先提出了梯度功能材料的新設想和新概念,並展開研究。這種全新的材料設計概念的基本思想是:根據具體要求,選擇使用兩種具有不同性能的材料,通過連續地改變兩種材料的組成和結構,使其內部界面消失,從而得到功能相應於組成和結構的變化而漸變的非均質材料,以減小和克服結合部位的性能不匹配因素。例如,對上述的燃燒室壁,在陶瓷和金屬之間通過連續地控制內部組成和微細結構的變化,使兩種材料之間不出現界面,從而使整體材料具有耐熱應力強度和機械強度也較好的新功能。

分類


當前對聚合物梯度材料的分類尚沒有統一的標準。根據應用領域的不同,可分為核功能梯度材料、生物功能梯度材料、化學功能梯度材料、光學功能梯度材料等;根據其組成材料的不同,可以分為高聚物/高聚物、高聚物/陶瓷、高聚物/金屬和高聚物/無機填料等類型;根據製備方法的不同,又有化學方法製備型和物理方法製備型;其中根據梯度化因素的不同,化學方法製備型梯度材料中又可分為組成梯度變化型、交聯度梯度變化型、結晶度梯度變化型等梯度材料;物理方法製備型梯度材料中又可分為取向度梯度變化型、相形態梯度變化型、分散相粒徑或組成梯度變化型等。

研究現狀


目前,梯度材料的研究主要集中於材料的設計、製備和評價三個方面。
關於設計:梯度功能材料的設計特色在於設計與材料的合成手段緊密結合,並藉助於計算機輔助設計專家系統,得出接近於實際的結果。關於製備材料的性能取決於體系選擇及內部結構。對梯度功能材料必須採取有效的製備技術來保證材料的設計。目前,已開發的梯度材料製備方法主要有:化學氣相沉積法、物理蒸發法、等離子噴塗法、顆粒梯度排列法、自蔓延高溫合成法、液膜直接成法及薄膜浸滲成型法等。
關於評價:對梯度功能材料性能評價,目前國內外尚沒有統一的標準,由於使用目的、使用環境、製備方法等的不同,可能有不同的評價方法。例如,對等離子噴塗法製備的FGM,參照等離子噴塗的有關標準,可進行結合強度、熱衝擊性、隔熱性以及耐熱性等性能評價。

應用


雖然FGM的最初目的是解決太空梭的熱保護問題,提出了梯度化結合金屬和超耐熱陶瓷這一新奇想法。鑒於梯度材料的特點,它很快就被利用在其他功能材料的構想和研究中,現在,隨著FGM的研究和開發,其用途已不局限於宇航工業上,其應用已擴大到核能源、電子、化學、生物醫學工程等領域,其組成也由金屬-陶瓷發展成為金屬-合金、非金屬-非金屬、非金屬-陶瓷、高分子膜-高分子膜等多種組合,種類繁多,應用前景十分廣闊。