梯度功能材料的应用研究及发展趋势

朱季平，张福豹

（1.南通市生产力促进中心，江苏 南通 226000；2.南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019）

梯度功能材料的应用研究及发展趋势

朱季平1，张福豹2

（1.南通市生产力促进中心，江苏 南通 226000；2.南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019）

介绍了梯度功能材料的特点与制造工艺，分析了目前梯度功能材料制备方法存在的问题以及应用领域。指出梯度功能材料的发展将朝着计算机专家系统辅助设计、低温制备、统一评价标准的方向发展。

梯度功能材料；制备；发展方向

传统的材料设计、制备和评价中，人们往往是追求材料的均匀性，以达到材料各部分性能的一致，使材料的性能发挥得最好。后来，复合材料的出现，人们仍然要求组成复合材料的各部分成分，分布尽量均匀。但是，在一些特殊场合，需要耐热、耐磨、耐蚀的要求，材料内部的在受到热冲击和热循环时，匀质材料往往达不到所要求的性能，复合材料由于组成成分物性参数或弹性模量相差太大，而在界面处产生很大的应力，甚至使之产生裂纹或剥离。

所以，一种新的材料急需填补空白。1984年，日本材料学家新野正之等人提出了梯度材料的概念，其为一种成分分布沿一定方向呈梯度变化、性能也随之呈梯度变化的非匀质新型材料。材料一面采用耐热、耐磨、耐蚀的材料，另一面采用具有一定强度和韧性的材料，由于材料成分分布的梯度性，材料界面处的应力也大大缓解，提高了结合强度。匀质材料、传统复合材料和梯度材料的组分分布如图1所示。

图1 均质金属、复合材料、梯度功能材料组分分布示意图

梯度功能材料的研究，主要围绕材料的设计、制备和特性评价这3个部分展开。

1 梯度功能材料的设计

梯度功能材料设计，是采用逆设计方法，根据材料实际使用的工况条件，得出热力学边界条件，然后从已有的材料合成及性能知识库中，选择有可能合成的材料组合体系及制备方法，借助计算机辅助设计和迭代运算，建立准确的计算模型，求得最佳的材料组合、内部组成分布、微观组织以及合成条件，将获得的结果提交材料合成部门，根据要求进行梯度功能材料的合成，合成后的材料经过性能测试和评价，再反馈到材料设计部门，经过循环迭代设计、制备及评价，从而研制出实用的梯度功能材料。

热防护梯度功能材料的逆向设计框图如图2所示[1]。

梯度功能材料的设计，主要是计算机辅助设计，可能通过有限元分析对材料梯度层分布进行优化。刘红兵等人运用有限元分析软件对Al2O3/316L不锈钢功能梯度材料梯度层成分分布进行分析计算时指出，梯度层分布可以采用幂函数表示[2]：

其中，

φAl2O3、φ316L分别为 Al2O3和 316L不锈钢的体积分数；

图2 热防护梯度功能材料的逆向设计框图

z表示梯度材料下表面到某一成分层的垂直距离；

dFGM表示FGM的总厚度；

p为梯度组成成分分布指数。

分析表明，p=1.0时，所受热应力最小，涂层承受压应力作用，梯度层为9时，热应力缓和作用最好，而且，梯度层厚度不宜过大。

2 梯度功能材料的制备

材料制备是FGM研究中的核心，制备不了性能良好且满足形状和结构的FGM，FGM真正的实用化就无从谈起[3]。目前，最常用的热防护梯度功能材料，主要是陶瓷/金属系梯度材料，其制备技术综合了超细、超微细粉、均质或非均质复合材料等微观结构控制技术和生产技术，使用的原材料可为气相、液相或固相，主要的制备方法气相沉积法、自蔓延高温合成法、粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法等。

2.1 气相沉积法

气相沉积技术是较为理想的硬质薄膜制备方法，所制备的膜层致密，不易产生脆性断裂，结合强度较高，因而具有良好的耐磨和耐蚀等性能[4]。

气相沉积法通常分为物理气相沉积法和化学气相沉积法两种。

物理气相沉积法，是通过加热等物理方法使源物质（如金属等）蒸发，进而使蒸气沉积在基体上成膜的方法。该方法的特点，是可以制得多层不同物质的膜，但用该方法制得的膜较薄，每层只能是某一种物质，因而很难制得成分呈连续变化的梯度材料。

化学气相沉积法，是将气相的化合物在一定的反应条件下生成的固相沉积在基体上，通过选择反应的温度和气体的压力与流量等，来控制固相组成的连续变化而制成梯度材料。该方法的特点是可镀复杂形状的表面材料，沉积面光滑致密，沉积率高。

气相沉积法主要制备薄膜梯度功能材料，但不能制备大厚度的涂层，且设备要求高，合成速度低[5]。目前，已采用此项技术先后制取了SiC/C，ZrO2/Cu，TiN/Ti，TiC/SiC 等多种 FGM膜[6]。

2.2 自蔓延高温合成法（SHS）

自蔓延高温合成法是一种利用粉末混合物间化学反应产生的热量，和反应的自行传播，进行材料合成的方法。其主要是利用高放热反应的能量，使化学反应自动持续下去。

用SHS法合成梯度材料时，在参加反应的原料粉中，按一定的梯度分布混入不参加反应的金属和陶瓷粉，并通过冷等静压等加压成形后，装入反应器中，从成形体的一端点火燃烧，反应自行向另一端传播，最终烧结成梯度材料。该方法过程简单，反应迅速，耗能少，纯度高，烧结冷却到室温后，金属侧发热量少，处于压应力状态，陶瓷侧发量热大，处于拉应力状态，更有利于梯度材料的热应力松弛。

自蔓延高温合成法只适于生成热大的化合物的合成，虽耗能少、设备简单、生产效率高、成本低，但产物为疏松开裂状态，孔隙率高，机械性能较低，而且适于自蔓延高温合成的合金系非常有限[5]。

2.3 粉末冶金法

粉末冶金法是将原料粉末均匀混合，然后以梯度分布方式逐层排列，再压制烧结而成梯度功能材料。

按烧结工艺的不同，可以分为固相烧结和液相烧结。用传统的粉末制备工艺生产金属—陶瓷梯度材料，首先要利用刮片法、离心堆积、层堆积方法、粉浆浇注工艺等，人工或自动化方法，来制备含有想要得到的相体积分数梯度分布的粉末预制块，然后通过传统的固态加工方法，如冷压和无压烧结，或热等静压，或在一个密闭模具中的热压，使粉末预制块致密化。该方法易于操作，适用于工业化生产，并且可以制作大尺寸梯度功能材料。

但是该方法不能得到连续的梯度分布，不能完全消除料层间界面，层与层之间易开裂，孔隙率较高，机械性能偏低，成本很高。

液相烧结，是将粉末压实体加热到足够高的温度，使预制块中出现液相的烧结过程。对于金属陶瓷来说，组元相的功能梯度有很大的实际意义，而且在工业上得到应用。对于用粉末冶金法制备梯度W—Cu层片来说，液相烧结优于固态烧结，根据众所周知的重合金化机制，通过添加Co或Fe激活钨的烧结。瑞士ZHU J等人通过粉末冶金法，成功地制得了ZrO2/NiCr功能梯度材料。该材料从宏观上消除了传统的金属和陶瓷界面。在化学组成和成分微观分布上，表现出良好的梯度分布[7]。

2.4 等离子喷涂法

等离子喷涂法，是用喷枪发射出等离子射流，将陶瓷和金属粉末有控制地送入等离子射流中，粉末在被加热熔融后，进一步加速，直接喷到基体上，形成梯度膜层。通过连续调节陶瓷与金属以及其他组分的比例、输入条件及等离子射流的温度与流速等，可以得到所需的组成梯度分布。

该方法调节比较方便，沉积率高，较易制得大面积的块材，尤其适合于几何形状复杂的器材表面梯度涂覆和加工。但该方法制得的梯度材料孔隙率较高，层间结合力较差，易剥落，材料强度较低，梯度层较薄。采用此法已制备出 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属表层上的具有某种特殊性能的材料，使之完全熔化，而基体金属微熔，冷凝后在基材表面形成一个低稀释度的包覆层，从而达到使基材改性的目的[5]。

激光熔覆的熔化，主要发生在外加材料中，基材表面微熔的目的，是使之与涂覆合金达到冶金结合，以增强熔覆层与基材的结合力，并防止基材元素与熔覆层元素的互扩散而改变熔覆层的成分和性能。利用高能密度激光束快速加热和超快速凝固，直接在合金表面制备新型或特种功能表层，则是材料科学和激光加工领域国内外共同的研究前沿。此种方法的优点是既可以制备FGM覆膜，也可以制取FGM体材。另外，制备时间也远远小于气相沉积法，适应面较广。其不足之处是制备工艺及设备都比较复杂且昂贵[6]。

另外，梯度功能材料的制备方法，还有离心铸造法、压渗法、等离子熔覆、电沉积法，以及两种或两种以上制备方法的结合，如PCVD法，PCVD是制备FGM的新趋势，结合了PVD和CVD的优点。利用CVD温度一般高于PVD温度的特点，在基体材料低温侧采用PVD，在高温侧采用 CVD，扩大了使用范围。

2.6 制备方法主要存在的问题

目前，制备方法主要存在以下问题：

（1）材料制备主要采用高温法，能源耗费较大；

（2）制备的材料尺寸较小；

（3）材料中或多或少存在内界面和分布不均匀性，由于制备方法的限制，存在台阶梯度，材料分布不能平滑分布，在热冲击或热循环过程中，材料中仍存在较大应力。

3 材料的特性评价[9]

梯度功能材料的性能评价，是指测定FGM的各种性能或模拟材料的实际使用环境，判断材料是否满足使用要求。根据性能评价试验提供的基本数据，完善FGM的优化设计和制造方法，有利于研制出性能价格比优良的FGM。但是，FGM的组分和性能是梯度变化的，现有材料性能评价的基本原理、测试手段和分析方法，对FGM已难以适用，国际统一的性能试验方法评价标准，也没有完全建立。

目前常用的FGM性能评价与测试方法，有以下几种：力学性能（主要有弹性模量和断裂强度、疲劳性能、耐磨性、显微硬度、压缩性能等方面的评价）；热震性能以用热处理性能评价。

4 梯度功能材料的应用和发展趋势

梯度功能材料自20世纪80年代中期产生以来，得到了飞速发展。FGM的研究正在向多学科交叉、多产业合作及国际化的方向发展[10]。其应用也不再局限于最初的航空航天领域，逐渐渗透到机械工程、核工程、电子工程和生物医学等领域，如表1所示。

梯度功能材料主要有以下发展趋势：

（1）设计方面。首先是非均质材料的组成—结构—性能体系的深入研究，通过完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）；同时大力开发研究计算机辅助FGM设计专家系统，用人工智能理论积累、整理与材料设计、制备、评价有关的数据库、知识库，为材料的研制提供实验设计和优化控制，从而提供设计精度。

表1 梯度功能材料的应用领域和应用范围

（2）材料制备方面。开发可合成大尺寸及复杂形状的FGM合成技术；开发更精确控制梯度组成的技术，如计算机控制的梯度铺垫系统；深入研究制备工艺机理，如SHS法的反应机理，粉末冶金发的成型及烧结机理、气相沉积机理等，尤其要加强非平衡系统的研究。制备工艺向低温制备以及多种制备工艺相结合的方向发展。

（3）特性评价方面。对于以热应力缓解为主的FGM，应进一步使性能评价的实验方法标准化，完善评价指标，如长时间使用的性能劣化评价和耐高温氧化评价等；对于缓和热应力以外的FGM，则要根据具体应用条件来研究确定评价指标及方法。

5 结束语

梯度功能材料由于本身成分、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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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，江苏南通人，机械工程师，研究方向为知识产权保护、机电一体化以及新材料研究；张福豹（1982—），男，江苏南通人，讲师，硕士研究生,研究方向：机电一体化以及新材料研究。