第十二章 功能梯度材料

1第十二章功能梯度材料主讲－朱和国南京理工大学材料系2本章的学的主要内容及学习要求一、主要内容：1.功能梯度材料概述2.功能梯度材料制备3.功能梯度材料应用二、要求：1.了解功能梯度材料的产生背景及其定义；2.了解功能梯度材料的特点及其分类；3.了解功能梯度材料的常用制备工艺；4.功能梯度材料的应用重点和难点：三、难点：功能梯度材料的制备原理3航天飞机背景：航天方面4神州号杨利为5聂海胜、费俊龙6每秒3.2公里，10倍音速背景：航空方面7不锈钢－陶瓷(Si3N4)界面上应力分布(单位：1/100MPa)（a）无梯度；（b）有梯度W:T=3680K,19.3;MO:T=2890K,10.2氧化物陶瓷熔点均在2000K以上，密度：Al2O3=4.0；TiB2=4.5；SiC＝3.12等虚线－压应力区；0－无应力区比较发现：1.成分突变会导致应力集中（解决不好，哥伦比亚号坠毁，见图）2.成分逐步过渡，应力集中大大降低3.无梯度样品冷却时开裂，有梯度样品有近400MPa结合强度4.有梯度时集中区拉应力仅为无梯度时的1/3～1/4设计8成分设计：表层：陶瓷类结构材料，耐热、抗氧化内层：金属材料，高热导率、机械强度；中间通过成分、结构、性能上的梯度变化，释放其热应力。910航天飞机的外部燃料箱体形巨大，长度约为154英尺，直径大约27.6英尺。哥伦比亚号的外部燃料箱净重66,000磅，装满液氢和液氧之后，总重量可达170万磅。液氧的温度约为-297华氏度液氢的温度约为-423华氏度绝热瓦1112.1功能梯度材料概述1梯度功能材料概念的提出是应航天航空的需要，能在极限环境下正常工作而发展起来的一种新型功能材料。由两日本人（新野正之、平井敏雄）于1986年首先提出的，其实我们祖先早在2400多年前就已生产了。2梯度功能材料(functionallygradientmaterials，缩写FGM)是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料；它要求功能、性能随内部位置的变化而变化，实现功能梯度的材料。12越王勾践剑深埋地下2400多年，1965年冬出土时依旧寒光逼人，锋利无比。1977年12月，复旦大学与中科院等对剑进行了无损检测。主要成分是铜、锡及少量的铝、铁、镍、硫。剑的各个部位铜和锡的比例不一。剑脊含铜较多，韧性好，不易折断；刃部含锡高，硬度大，使剑非常锋利；花纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀。形成了良好的成分梯度。其实大自然，人类自身早已存在了功能梯度材料。13人体长骨结构示意图生物功能梯度材料无机：羟基磷灰石碳酸磷灰石有机：胶原纤维骨是无机与有机的复合材料14注意：梯度材料与合金材料、复合材料的区别材料混杂材料复合材料梯度材料设计思想分子、原子级水平合金化组分优点的复合特殊功能为目标组织结构0.1nm-0.1m0.1m-1m10nm-10mm结合方式化学键、物理键分子间力分子间力/物理键/化学键微观组织均质/非均质非均质均质/非均质宏观组织均质均质非均质功能一致一致梯度化153梯度功能材料的特点1）组分、结构和性能均呈连续梯度变化。2）内部无明显的界面。4梯度功能材料分类1）组合方式上分：金属/金属金属／陶瓷、金属／非金属、陶瓷／陶瓷、陶瓷／非金属非金属／塑料162）组成变化上分：（1）梯度功能整体型(从一侧到另一侧组成梯度变化)（2）梯度功能涂履型(涂层的组成梯度变化)（3）梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化)3）功能上分：（1）热防护梯度功能材料（2）折射率梯度功能材料17原料体系方法类别方法气相化学法化学气相沉积法物理法物理气相沉积溅射法离子注入法液相化学法电镀法氧化还原法物理法熔射法熔体凝固法固相法化学法自蔓延法（热分解法）涂层法物理法烧结法部分结晶法扩散法12.2热防护梯度功能材料的制备方法18一、化学气相沉积技术热应力缓和型SiC/C梯度材料的CVD合成原料：SiCl4+CH4+H2H2-载体气SiCl4（液态）－硅源CH4-C源发热体－石墨基板－石墨常见热防护梯度功能制备工艺19过程：通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定的条件下发生化学反应，使生成物在基板上沉积特点：1.调节气的流量和压力控制组分比2.可镀表面形状复杂的材料3.沉积面光滑致密4.沉积率高应用：Ti／TiC、Ti／TiN、Cr／CrN、SiC／C／TiC等20二、物理气相沉积技术控制因素：1.蒸发速度2.蒸发物质的组成3.基板温度4.反应气体的导入量阴极：中空阳极：铜坩锅氩气：阴阳级放电时氩气电离产生氩等离子体坩锅中金属：受热、熔融、蒸发、沉积于基板21过程：通过加热等物理方法使源物质(如金属等)蒸发，使蒸气直接沉积在基板上成膜，或与反应气体作用并在基版上沉积（物理－化学气相沉积）特点：1.物系的选择面宽2.产物纯度高3.组成控制精度高4.可制多层不同物质的膜5.膜薄，每层膜为一种物质应用：合成各种金属和包括氧化物、氮化物、碳化物在内的陶瓷以及金属/陶瓷的复合物22三.自蔓延技术TiCTi+C反应进行方向混合物预热区反应区燃烧波前沿产物点火装置SHS反应模型示意图钢管铝热剂Al2O3陶瓷Fe层离心复合梯度层23过程：将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化充填，加压压实，从成形体的一端点火燃烧，反应自行向另一端传播，利用化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材料烧结和合成。特点：适合于生成热大的化合物的合成，如AlN、TiC、TiB2等操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高材料致密度低应用：1）电磁加压＋自蔓延：TiB2／Cu；2）自蔓延＋热等静压相结合：TiC／TiC+10％Ni/TiC+20％Ni／TiC+30％Ni；3）爆炸压实生坯＋自蔓延：A12O3／Ti密度从82％到94％24四、颗粒梯度排列法是类似于粉末冶金法的一种烧结方法，可分为颗粒直接填充法和薄膜叠层法。优点：可制备大体积的梯度材料缺点：工艺复杂，一定的孔隙率，尺寸受模限制。颗粒直接填充法：将金属、陶瓷等粒子按一定的梯度分布直接填充到模具中经过加压、浇结而成薄膜叠层法：将金属和陶瓷粉末掺人微量胶粘剂、分散剂等，振动磨制成泥浆，脱气压膜，再将这些不同成分和结构的薄膜叠层、烧结2512.3热防护梯度功能材料的特征评价1）局部热应力评价采用激光和超声波的方法来评价局部热应力的分布和大小。2）热屏蔽性能评价通过高温落差基础试验和模拟实际环境下的隔热性能和耐久性试验，来评价梯度功能材料的热屏蔽性能。3）破坏强度评价在2000K以上的环境中，测定其破坏强度，以考察梯度功能材料的耐超高温的机械强度。它包括断裂强度评价、热冲击评价和热疲劳评价。2612.4功能梯度折射率材料的制备方法常见的制备方法：1）离子交换法、2）溶胶－凝胶法3）扩散共聚法、4）光共聚法5）悬浮共聚法、6）界面凝聚共聚法等