梯度功能材料浅谈材料（精选7篇）
梯度功能材料浅谈材料 篇1
梯度功能材料研究与应用
摘 要：
介绍了近年来梯度功能材料(FGM)国外发展动态,较详细叙述了梯度功能材料制备方法,如化学气相沉积法(CVD),放电等离子烧结法(SPS),复合离心铸造法(CDC)等工艺方法,并介绍了梯度磁性材料、封接合金、刀具材料及生体材料的制备、性能、特点及应用。
关键词： 梯度功能材料；性能； 特点； 应用 前 言
材料组成的梯度结构是20世纪70年代初提出的崭新概念,但真正进行研究开发及应用梯度功能材料则是80年代以后的事。虽说迄今梯度功能材料发展不到20年,但其研究开发却十分迅速,特别是日、德、美等先进工业国不论是对梯度功能材料组织结构、性能,还是它们的制备工艺、设备以及材料应用等方面都取得了令人瞩目的成果。进入90年代后,梯度功能材料受到国际材料界的广泛重视,为促进其交流与发展于1990年在日本召开了第一届国际梯度功能材料学术讨论会(FGM),随后每两年召开一次,到1996年已开了四次。会议发表论文数量逐届迅速增长,从第一届的70余篇已增加到近200篇。论文涉及领域非常广泛,如在功能材料中的应用及制备;在结构材料中的应用及制备;机械性能;梯度结构设计等。从会议论文内容看,功能性梯度材料研究与应用论文数量越来越多,表明梯度功能材料开发研究是梯度材料发展的主流。本文主要介绍梯度功能材料国外最新发展动向,较详细叙述近年开发的梯度功能材料制备工艺及梯度磁性材料,梯度封接合金,梯度耐热、耐磨合金,生体用梯度材料等。梯度功能材料概述
众所周知迄今人们所熟悉的各种金属材料,不论是晶态材料还是非晶态材料的组成结构都是均匀一致的,因此对于某种确定的材料而言,其物理、机械、电磁等性能是一定的。但是梯度材料的组成成分浓度在材料的某个方向上是连续变化的,即形成梯度分布。这类材料因其内部成分、结构变化所以它的性能也是连续变化的,这种变化的性能正满足了不同工作环境对材料的要求。图1显示出了均质金属材料、复合材料以及梯度材料结构与性能的比较。
图1 均质、复合及梯度材料结构及性能比较
图1示出的是最早开发的耐热隔热陶瓷/金属梯度功能材料(c)与陶瓷/金属复合材料(b),陶瓷金属均质材料(a)的结构,性能比较。由图不难看出均质材料内陶瓷与金属均匀分布,其性能如耐热性、导热性、热膨胀系数均不随空间而变化。复合材料(b)有一明确的连接界面,在界面两边性能截然不同,即跨过界面性能发生突变。这种复合材料在高温下由于界面两侧膨胀系数差很大,容易由于热应力而引起剥离损坏。图1c显示了陶瓷/金属梯度功能材料,从左至右陶瓷浓度减小,而金属含量增加,左端为陶瓷右端为金属。这种结构材料的性能随成分变化而变化,热应力得到缓解,克服了复合材料存在的问题,满足了作为航天飞机机身耐热瓦的苛刻工作环境要求。其实,梯度结构材料在自然界早已存在,如人们熟悉的竹子,其直径虽不20cm却可高达十几米,挺拔而立,这是由于它的结构不同于一般树木。竹子由表皮、基本组织及纤维管束构成。纤维管束则由纤维管束鞘、管孔道等部分组成,其中纤维管束鞘具有很高弹性,且抗拉强度可与钢铁相比,从表皮向里纤维管束鞘浓度逐渐减少,表皮浓度高达90%以上,因此使竹子具有表皮坚硬、内部柔韧、整体质轻等特点。还有人骨也是典型的梯度结构,它由骨质构成,而骨质又分为致密质和海棉质两类。人骨从内部向表面是由海棉质向致密质变化,这样骨表层是骨质密度高的致密质使骨表面坚硬结实,而向里则是海棉质,使骨骼具有柔韧性。所以整个人身骨 2
骼就能支撑人身体,使其能进行立、坐、卧、跑、跳等各种活动。纵观自然界中植物、动物等生物体中的梯度结构,使我们认识到千百万年来生体为适应生存的环境,而逐渐进化形成最适应环境变化的梯度组织,这是一种高度进化的结构形式,可以说当金开发梯度功能材料正是受到生体结构的启发,有人还称梯度功能材料是材料开发的一种最终形态。制备方法的研究与开发
梯度结构材料的制备过程需要严格控制浓度、流量、温度及压力等参数,因此是相当复杂的。目前按原材料形态可分为气相、液相(融熔态)、固相(粉末)等三种方法,具体详见表1所列。以下就表1列出的方法中,目前最常用的几种作较详细的介绍。
3.1 物理气相沉积法
物理气相沉积法(简称PVD法)是高温加热金属使其蒸发然后沉积于基材上,形成约100Lm厚的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束加热、利用空心阴极放电(HCD)的等离子加热及利用气体离子的溅射等方法。图2示出了HCD型 3
图2 HCD型PVD装置示意图
该装置由水冷铜坩埚、被蒸发金属、反应气体导入管、基板、加热器、氩气管、中空钽阴极等组成。为了获得金属氧化物、氮化物、碳化物陶瓷,需加入氮气、碳氢化物等气体,使之与金属蒸气发生反应。该装置中氩等离子体直接加热被蒸发的金属,其温度可达2000℃,所以选用融点在2000℃以下的被蒸发材料。该加热方法适合于制备陶瓷材料。为了得到成分符合要求的梯度材料,在合成过程中必须严格控制反应气体流量,例如在钛基板上合成TiC/Ti系梯度功能材料,就应当使C2H2反应气体流量从零变化到能生成TiC的流量,这样在基板上便可得到组成连续变化的TiC/Ti梯度材料。
3.2 化学气相沉积法(CVD法)化学气相沉积法是气相法生产梯度功能材料的一种化学反应方法,该法又分为热CVD、等离子CVD及光CVD。图3示出等离子CVD装置示意图。该装置由进气、加热、反应炉、排气、测温及控制等系统组成。CVD法是使含金属、类金属的卤化物气体加热分解,然后使金属、类金属沉积于基板上。这种方法沉积速度快,较物理气相沉积(PVD)法形成膜的速度快十余倍,因此可得到数mm厚的膜。该法也可使反应气体与卤化物气体混合,产生氮化物、碳化物陶瓷。采用等离子激发气体,较加热基材的热CVD更容易合成陶瓷。通常采用高频等离子CVD与高频和直流弧并用的放电等离子CVD来制造梯度功能材料。当选SiCl4、TiCl4、BCl3作为卤化物气体,与反应气体C2H2混合,混合比从零至碳化物生成的流量增加，图3 CVD装置示意图
3.3 喷涂法及复合离心浇注法
所谓喷涂法就是把金属、陶瓷粉末及它们的混合物用高温气焰或等离子加热使之熔融或半熔融,然后喷涂到基体表面形成膜层的表面处理技术。其目的是改善表面特性,使之具有耐腐蚀,耐热等性能。喷涂法有气式和电式两种形式。前者采用气焰喷涂,后者多采用等离子喷涂和高频等离子喷涂。等离子喷涂金属/陶瓷梯度功能材料常采用双等离子喷枪装置,其中一只喷枪喷射金属粉末,如Ni、Mo等,另一只喷枪喷射陶瓷粉末,如TiC等。两只喷枪与基板有一定距离,并成一定角度。作业时,一只喷射量逐渐减少,另一只则逐渐增大,至所要求量,这样在基板上就可形成金属/陶瓷组成变化的梯度结构材料。新日铁还开发出瞬时烧结制造CrSi2厚膜梯度材料的装置。实际上这是一台混合等离子喷涂设备。该装置设有3个直流等离子喷枪和1个高频等离子加热装置。原料粉末在等离体中加热,经喷咀高速喷射到基板上,为了得到均匀的膜,该板既自转,又公转,同时用高温气焰进行烧结。粉末的喷射速度及组成,喷咀至基板距离可以调节,这样便可得到CrSi2梯度厚膜,喷涂形成的膜中一般含有占总体积10%的气孔。喷涂工艺一般用于生体功能梯度材料的制备。除采用喷涂技术制造梯度膜材料外,也有采用复合离心铸造法制造耐磨梯度材料,其设备如图4所示。
该法是利用复合式浇注二种熔融合金,在高速旋转模子的离心力作用下在内壁上形成筒形铸件。大参达也制取的是Al-Cr合金梯度耐磨材料。作为铸型中第1种熔融合金是Al,第二种是高Cr浓度Al-Cr合金。第1种合金先喷出,第2种后喷出,两者有一时间差,且后者温度高,这样形成的复合层,具有梯度硬度分布。
3.4 放电烧结法
放电烧结法是粉末冶金的一种方法,最近也成为固相(粉末)法合成梯度功能材料的一种方法。该法是把金属或陶瓷等粉末置于用石墨制成的模中,然后加压,加热或加压后加热烧结的方法。一般采用通电加热。该法早在1933年已出现,当时加热方式是向碳模和粉末直接通直流电,利用其自身电阻直接加热,具有短时间固化的优点,但难以形成高密度材料,一般适合于制造多孔的(疏松)超硬质合金。到1962年开发出了采用脉冲电流加热的新技术,与此同时还有交直流叠加和半波整流电源等形式。这种脉冲放电加热方式,克服了多孔化的问题,可以制备稳定相、接合等材料。到1990年代初出现了智能烧结技术,他可以通过控制温度、应力、时间电流、脉冲波形等来制备纳米、非晶合金、金属间化合物、梯度功能材料等高技术发展需要的尖端材料。用放电烧结法制取梯度功能材料重要的一点是原材料粉末的粒径。例如合成金属/陶瓷梯度功能材料,因两者的烧结特性有很大差异,烧结条件也不尽相同。由于陶瓷没有象金属那样良好的塑性,所以烧结时看不出收缩,为了消除这种不平衡必须控制烧结用粉末的粒径,使其具有相近的烧结特性。经验表明陶瓷粉末与金属粉末的粒径比应为1比100较为合适。
3.5 共晶接合法形成梯度材料
共晶接合法也称为凝固偏析法,它是制备梯度功能材料的一种简便方法。该法的原理是使具有共晶反应的金属及其金属间化合物接触,并加热至共晶温度以上,在接触界面形成一层共晶熔液,然后冷却凝固产生偏析便得到梯度功能材料。如研究的Ti-Ti5Si3系,Ti-Ti3Sn系。使钛和Ti5Si3片(块)接触,并加热至1350℃,接触面发生共晶反应而熔化,当冷却凝固至室温时钛和Ti5Si3片间形成含有初晶的共晶组织的接合层,该层具有三段变化的梯度组织。该方法也存在一定问题,即由于共晶熔体能渗透达粉末粒子的表面致使其耐氧化性变差,为此不能采用粉末而必须用致密厚实的均质层。土田佑树采用改良型的共晶被覆法来制备梯度功能材料。在钛板或圆棒上先覆一层Ti-31%(原子)Sn粉末,然后加热至1888K,加热速度8.5K/min,然后以5K/min冷却,即得到Ti/Ti3Sn梯度功能材料。
4梯度功能材料的应用
如前所述梯度功能材料具有组成,结构从一种到另一种连续变化的特点,它可以把两种完全不同的性能,如耐磨性和强韧性融于一体。这种特殊的材料能在两种温差很大或环境截然不同的条件下工作。因此得到了广泛的应用,如火箭发动机、航天飞机机身,核反应堆中用的耐热材料、耐热冲击材料;能量转换器件中使用的热电子发电材料、热电发电材料;机械工具中使用的车、铣、钻等刀具耐磨、耐破损材料;在电子器件中用的梯度半导体材料、传感器材料;作为人体植入物使用的人工骨关节、人工齿根等。总之目前梯度功能材料已获得广泛应用。下面较详细地介绍梯度功能材料在切削工具、热电发电器件、变压器铁芯、封接元件以及人工骨、牙齿方面的应用。
4.1 梯度切削工具材料
梯度功能材料的应用开发中较早的是使用于切削工具、矿山工具、耐磨工具等,如车刀、铣刀、钻头等。在切削作业时由于刀具或工件高速旋转,刀头与工件摩擦产生大量热、使刀头迅速升温,其温度可高达1000℃,这时为了正常作业须加注冷却剂,这样刀具特别是刀头就处于急冷、急热的恶劣环境下,由于应力的作用,会产生裂纹最后破碎。因此作为切削刀具材料必须兼有表面高耐磨性和内部高韧性的特性。目前切削工具材料主要使用超硬质工具材料,常用的3种及其特点如表2所列。
表2常用的切削工具材料及特点比较
硬质合金作为切削工具材料其耐磨性较差而韧性良好。单硬质合金WC用目前的技术还难烧结合成,必须添加Co,加Co后的WC-Co强度和韧性均提高但硬度下降,这样耐破损性提高而耐磨性却降低。金属陶瓷材料恰与其相反。为了提高WC-Co烧结体的硬度,使之适合用作切削工具材料,1960年代末开发出表面涂层材料,这种材料表面耐磨而内部强韧,但是由于热应力而剥离脱落且制造工艺复杂,成本高,较难推广普及。
4.2 梯度热电能量转换材料
热电变换元件构成的直接发电系统具有结构简单,无可动部分的特点,因此这种系统可靠性高,易维修保养。热电元件发电原理与测温热电偶相同,其发电性能随温度变化,温度的选择应使热电变换效率达到最高。梯度热电变换材料的出现使这一目标成为可能。常用的热电材料有Bi-Te系、Pb-Te系、Fe-Si系、Si-Ge系。研究开发了PbTe热电材料,这种材料属于n型,即载流子为电子。这种材料使用于低温300K(室温),高温为700K,采用分割接合式Pb-Te构成的梯度热电材料发电系统较单一材料组成的热电元件输出功率高约20%。
4.3 梯度软磁硅钢材料
硅钢是用量最大,使用最广的一种软磁材料。据报道目前世界年产量约700万t。硅钢在电气设备(如配电变压器、电机等)中广泛使用,但始终存在着二个问题:铁损和噪声。减小铁损,降低噪声一直是硅钢研究开发的最重要项目。提高硅钢硅含量是行之有效的一种方法。研究表明,硅含量由3.5%(质量)提高到6.5%(质量)时,硅钢的磁导率达到最大,铁损减至最低,磁致伸缩近于零。含Si 6.5%的高硅钢性能不仅优于3.5%的硅钢,而且比非晶软磁合金磁伸更小和热稳定性更好。
4.4 梯度封接合金
封接合金是电真空器件如电子管、灯等中用于封接石英玻璃外壳及金属电极的材料。
在检卤(漏)灯的封接中,传统的方法是用一层钼箔夹层。但由于钼与石英玻璃两者膨胀系数相差大(400℃时AMo=5.6@10-6,ASiO2=0.55@10-6)所以封接作业或灯工作时封接处产生热应力,导致出现微裂纹,使壳内真空度下降,甚至灯体破碎,特别是对于大功率灯更为严重。梯度功能材料的出现解决了上述问题。Ishibashi H等研制的Mo-SiO2梯度材料既能与灯壳体达到匹配封接,又具有与钨极一样的导电性,且灯壳与电极间有良好的缘绝性。该种封接材料是经制粉配料y制浆y粉浆浇注沉积y压型y干燥y预烧y烧结工艺流程,制成(<1.5cm@2.5cm)制品,后经机加工便可作检卤灯的封接材料。
4.5 梯度生体植入材料的应用
生物体的组织、结构及性能是大自然经千百万年造就的最佳物质形态,它的功能、组织结构极其精巧,具有高效率、高精度自适应环境的能力,如人的骨、牙齿既耐磨又坚韧,这就是由于骨和牙齿从宏观生物组织到微观分子具有梯度结构形式。当人的骨、牙齿由于某些原因损坏或老化需要修复更换时,传统的方法是利用适应人体环境的材料,如常用的Al2O3单晶、羟(基)磷灰石(HA)烧结体及Ti合金等。当更换损坏的牙齿时,目前多采用植牙的方法,这需要把人工齿根埋入牙床。人工齿根通常为螺钉、圆柱或叶片型,以强度大的Ti为齿根基材,在其与牙床骨质接触的部分外侧面及底面覆一层羟磷灰石,虽然它与骨质有很好的亲合力,但因界面应力可能从钛基体剥落或被骨质吸收,当梯度材料出现后,就采用喷涂的方法在钛合金柱型齿根侧面及底面覆上一层从钛至羟磷灰石组成连续变化的梯度功能材料,这样侧面羟磷灰石就难以从钛齿根剥离,而且治愈时间可以缩短,而底部较厚的羟磷灰石层也可以短时间与牙床固实。治愈后即使羟磷灰石层被吸收,齿根也不会摇动,从而显示了梯度材料的优越性。另外梯度功能材料在人工骨关节上也得到应用。以往假肢体是用PMMA骨粘结剂连接到骨的软细胞组织体上,而这种组织是在骨粘接剂和骨之间。但新开发的梯度功能材料则是将100~300Lm的羟(基)磷灰石微粒置于骨和骨粘结剂中间,形成骨/羟磷灰石/骨粘结剂/钛合金人工骨(关节)顺序的梯度结构,其假体与骨之间具有很强的结合力,因此这种假肢不但适合于生体环境而且使用耐久,是优异的人工骨材料,目前梯度功能材料已大量用于骨外科手术中。
参考文献
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梯度功能材料研究与应用
学院：材料与冶金学院班级：金材2011-2
姓名：闫斯文
学号：120113208026 电话：***
梯度功能材料浅谈材料 篇2
目前, 关于FGM的研究主要包括设计、制备和性能评价3个方面[2]。材料设计为FGM合成提供最佳的组成和结构梯度分布, 使FGM热应力最小;材料制备是FGM研究的核心, 在制备过程中, 温度变化会引起FGM中各组分不同程度的膨胀和收缩, 从而产生很高的热应力, 其大小及分布是制约FGM性能的关键因素;材料性能评价是对FGM进行性能测试, 恶劣的高温环境产生的热应力是FGM失效的主要原因, 因而热应力是其性能评价的主要指标。
通过以上分析可以发现, 有关功能梯度材料的研究都会涉及功能梯度材料的热应力问题, 而热传导问题是热应力研究的基础。目前国内外已对FGM热传导和热应力问题开展了大量基础性研究工作, 并且已取得一定的进展。
1 分析模型
热传导是热应力研究的基础, 因此, 在进行FGM热应力问题分析前, 首先应建立适当的FGM热传导问题的分析模型, 主要包括数学模型和物性参数分布模型。
1.1 数学模型
功能梯度材料的稳态热传导方程为[3]:
边界条件为:
式中:▽是拉普拉斯算子;k (X) 是随空间位置X= (X1, X2) T变化的热传导系数, 其具体形式由FGM物性参数分布模型决定;u是待求的温度分布;为边界热流 (重复脚标i遵循重复脚标求和约定) , n为边界Γ的外法线矢量;珔u和珔q分别是给定的边界温度和热流;常数h是对流系数;u∞是环境温度。
对于瞬态热传导问题, 温度场的时间相关性体现在热传导方程中含有时间项, 即[4]:
式中:t是时间变量 (t>0) ;密度ρ和比热c都是空间位置坐标X的函数。对于瞬态问题, 除了具有式 (2) -式 (4) 的边界条件外, 还需具备初始条件, 即u (X, 0) =u0 (X) 。
对于各向异性FGM, 其物性参数是一种和方向有关的矩阵, 具体到热传导问题, 以二维FGM为例, 其热传导系数为2×2矩阵, 即:
热流, 其余物理量与各向同性FGM中的意义相同。
1.2 物性参数分布模型
FGM的物性参数分布模型是求解其热传导方程的必要条件, 通常做法是根据FGM微观结构的混合律近似推得[5]。K.Wakashima等[6]对混合律进行了研究, 然后将其应用于FGM的热应力研究中。张晓丹[7,8]通过将FGM的物性参数的算术平均值和调和平均值加权平均, 得到FGM的物性参数的有效精确值。滕立东等[9]对Voight模型、Tamura模型、Reuss模型、Fan模型和MoriTanka模型等一系列根据混合物法则 (Mixture rule) 建立的模型进行了系统总结。徐自立[10]根据常规基本材料及均质复合材料的物性值, 推断出各种物性参数值的经验公式。在已有文献中, 经常使用指数函数、二次型函数和三角函数来描述FGM物性参数随坐标变化的关系[4]。其原因是, 指数模型中e指数函数的导数具有非常简单的形式, 一方面可模拟其物性参数沿空间的非线性分布, 另一方面可给求解FGM控制方程的解析解和半解析解带来很大的便利, 因而, 对于功能梯度材料的大多研究都是以指数模型为基础展开的。二次型模型以多项式函数尤其是低阶形式作为逼近函数, 具有简洁易实现的优点, 因此, 也有研究选择二次型函数作为FGM沿空间梯度分布的逼近函数。考虑到加工工艺的多样性和复杂性, 设计与实现之间存在不可避免的误差, 在逼近 (模拟) FGM沿空间物性参数分布时, 需引入一定的修正, 为此, 也有研究选择三角函数作为物性参数的逼近函数。
2 研究方法
2.1 解析方法
Sugano[11]采用理论方法分析了弹性模量和热传导系数沿厚度方向呈指数变化的一维非均匀材料板的热应力。Noda等[12]利用简单的混合律得到材料参数沿厚度方向变化的规律, 研究了一维功能梯度材料的稳态温度场, 同时讨论了体积含量对温度分布和应力分布的影响。随后, Obata等[13,14]研究了无限长板的稳态和瞬态热传导, 还讨论了热传导率沿壳体厚度方向变化的功能梯度复合材料空心圆柱壳和空心球壳的一维稳态温度场。Tanigawa等[15]提出了非均匀材料的层合板模型, 即将功能梯度材料原结构沿厚度划分为若干单层, 假设每一层为均匀材料, 厚度方向的非均匀性质可按任意规律变化, 相邻层面赋予具有稍微不同的材料常数值, 借助于层间界面的连续条件, 通过解析法求解FGM热传导和相应热弹性问题的控制方程, 并运用该方法, 相继讨论了FGM空心圆柱壳的三维瞬态热应力分布[16]和材料属性同时存在温度依赖的FGM板的一维瞬态热应力问题[17]。Ravichandran[18]推导出功能梯度材料在线弹性条件下残余热应力的解析计算式。Lutz等[19,20]在假设功能梯度材料圆球及圆筒沿半径方向的弹性常数及热膨胀系数为线性变化的情况下, 采用弗洛比尼级数研究了FGM圆球及圆筒的一维稳态热弹性问题。Sankar等[21]采用级数解形式讨论了热弹性系数沿梁厚度方向指数变化的二维稳态功能梯度梁的热弹性问题。Vel等[22]采用幂级数法分析了材料板属性沿板厚度方向以泰勒展开式函数变化的功能梯度材料矩形板三维稳态热弹性问题和瞬态热应力问题。Jabbari等[23,24]采用直接方法分析了一维稳态功能梯度空心圆筒热弹性问题, 后来又采用变量分离与傅里叶级数法分析了二维稳态功能梯度空心圆筒热弹性问题。Alibeigloo[25]采用傅里叶级数法和状态空间法推导了物性参数沿厚度方向呈指数函数变化的FGM的温度场和应力场解析解。
国内, 张晓丹等[7]采用热弹性理论及计算数学方法, 给出了环状截面FGM柱体的稳态温度分布与热应力计算公式, 随后, 又利用经典层合板理论, 对选定材料体系组成的梯度成分内部各点的热应力进行了理论分析, 并给出了金属相、陶瓷相体积分布函数、稳态温度场下的温度分布及热应力计算公式[8]。吕运冰等[26,27]利用线性热弹性理论研究了功能梯度材料圆筒以及金属-陶瓷功能梯度材料板的定常温度分布及热应力, 得到了一组计算温度分布和热应力的公式。陈伟球等[28]采用层合近似模型, 从三维热弹性力学基本方程出发, 导出了一个二阶的齐次状态方程和一个四阶的非齐次状态方程, 并给出了任意厚度的四边简支横观各向同性FGM矩形板的热弹性分析, 研究了材料梯度指标对热弹性场的影响, 后又采用状态空间法和微分求积技术的混合方法, 给出了功能梯度厚梁的二维热弹性力学解[29]。赵军等[30]采用摄动法推导出无限大对称FGM板的一维非定常温度场及非定常热应力场的解析表达式。陶光勇等[31]采用解析法研究了W/Cu功能梯度材料板的残余热应力和在稳态梯度温度场下的工作热应力的大小和分布状况。邵珠山[32]利用微分方程的级数求解法, 推导了功能梯度圆筒的轴对称稳态温度场和应力场的解析解。田云德[33]对层合模型法进行了改进, 提出了指数函数有限分层法, 即把原有的每层热力学系数均匀的FGM厚板改为每层热力学系数为指数函数分布的形式, 来平滑均匀分层法引起的热力学系数的跳跃性。
虽然利用解析法研究FGM热应力问题已取得了一些成果, 但由于FGM的非均匀性, 利用解析法研究FGM热应力问题具有很大的局限性。
2.2 数值方法
数值方法通过离散的思想为FGM热应力问题无法获得解析解提供了新的求解途径。目前求解FGM热应力问题的数值方法主要有:有限元法 (FEM) 、边界元法 (BEM) 、无网格法 (MM) 。
(1) 有限元法
国外, Williamson等[34,35]利用FEM研究了陶瓷-金属FGM在冷却过程中梯度界面的残余热应力问题。Lee等[36]采用FEM研究了金属基底上的功能梯度涂层的残余热应力问题以及金属基底上的多层陶瓷涂层的残余热应力问题。Gasik等[37]提出了一种FGM的微观力学模型, 并在此模型下对W/Cu功能梯度材料在弹塑性条件下的热应力分布进行了有限元计算。B.S Zhang等[38]采用有限元法计算FGM在粉末冶金法制备过程中整个烧结过程 (加热、保温和冷却) 的热应力分布情况。L.L Cao等[39,40,41]构造了可自然模拟功能梯度材料特点的梯度单元, 并采用基本解有限梯度元方法 (FS-FGEM) 分别解决了功能梯度材料的稳态、瞬态及非线性、双材料FGM板的稳态热传导问题。国内采用有限元法研究功能梯度材料的热问题的文献比较多。王继辉等[42]用有限元法分析了FGM的热弹塑性行为, 得到梯度层的热弹塑性应力-应变关系。沈强等[43]选择Ni/Ni3Al-TiC体系的功能梯度材料, 对其在制备过程中的残余热应力进行了有限元模拟。王鲁[44]采用有限元法研究了ZrO2-NiCrAl材料体系制备的功能梯度热障涂层在热负荷下的残余应力、隔热工作应力和循环状态下的瞬态温度和瞬态热应力。张幸红等[45]对TiC/Ni功能梯度材料在制备过程中的残余热应力进行了有限元模拟。凌云汉等[46]运用有限元软件对W/Cu梯度材料进行了优化设计。李云凯等[47]利用有限元法对PSZ/Mo功能梯度材料进行了优化设计, 确定了最佳成分分布因子、层数和每一层的厚度, 并对优化后的PSZ/Mo功能梯度材料的稳态温度场和热应力场进行了计算。刘彬彬等[48]采用有限元法分析了三层梯度结构材料的各层成分和厚度对制备过程中产生的热应力的影响, 并分析了四层、五层结构的W/Cu梯度材料结构成分分布与热应力的关系。许杨健等[49]用有限元法研究了由ZrO2和Ti-6Al-4V组成的FGM板的稳态热应力问题, 给出了不同力学边界条件下该板的稳态热应力场分布。
虽然有限元法是数值方法中一种非常重要的方法, 但也有其自身局限性:一方面, 划分单元是一项十分繁杂的工作, 其工作量往往比有限元分析本身还大, 因而不适用需要不断变动网格的情况;另一方面, 有限元法的精度依赖于单元的形状和大小, 因而不适合大变形产生的网格畸变情况。
(2) 边界元法
相对于有限元法, 边界元法只需在边界上剖分单元, 极大地简化了网格生成, 数值离散得到的代数方程组规模小很多。Gray[50]和Berger[51]分别推导了各向同性和各向异性指数型FGM热传导问题的格林函数。Paulino等[52]将Galerkin边界元法引入FGM稳态温度场的计算中, 随后又利用Laplace变换与Galerkin边界元法相结合求解了FGM瞬态热传导问题[53];接着, 他们又利用边界元法对材料参数沿厚度方向呈二次函数、指数函数和三角函数形式变化的FGM瞬态热传导问题进行求解[54]。张驰等[55,56]采用边界元法对材料参数随空间位置呈指数函数变化的功能梯度材料的稳态和瞬态热传导进行分析。高效伟等[57]针对二维和三维功能梯度材料推导了热应力分析积分方程, 在此基础上结合多区域边界元三步求解技术, 可对由任意多介质组成的变物性参数复合结构进行热应力分析。
在求解诸如材料非线性问题或控制方程为非齐次时, 边界元仍需要进行内部单元的剖分, 这在很大程度上限制了边界元法的应用。
(3) 无网格法
为了克服有限元法和边界元法对单元或网格的依赖性, 无网格方法采用基于点的近似, 不需要在求解域内划分用来确定插值函数的网格。国外, Chen等[58]用精细积分方程法对功能梯度材料的热传导问题进行了灵敏度分析。Sladek等[59]利用局部边界积分方程法对FGM的瞬态热传导问题进行了研究。Marin[60]将基于欧式距离的基本解方法 (MFS) 应用到FGM的稳态热传导问题中, 并将此方法扩展到物性参数不但随坐标变换, 同时还随温度变化的非线性问题中[61]。Hui W等[62,63]利用基本解方法对FGM材料板进行了热传导分析和热应力分析。Ching等[64]将无网格局部Petrov-Galerkin方法用于FGM板的热弹性分析中。Dai等[65]采用无网格迦辽金算法对FGM板的位移和热应力进行了分析。国内将无网格方法应用于FGM的研究主要集中在热传导分析, 陈剑桥等[66]将无网格Petrov-Galerkin方法应用于功能梯度材料的三维热传导问题。蓝林华等[67]采用降维精细积分法对FGM的瞬态热传导问题进行了分析, 该方法的基本思想是先降维、再精细积分, 与常规精细积分方法相比, 可降低传递矩阵的计算量和存贮量, 因此效率更高。笔者[68]采用基本解构造无网格方法, 研究了物性参数随空间位置呈指数函数、二次型函数和三角函数变化的功能梯度材料的热传导问题。
虽然无网格法的研究已取得了很大进展, 但由于提出时间不长, 发展远没有达到成熟阶段。相对于有限元和边界元等数值方法, 其数学基础理论的研究还远远不够。
3 结语
功能梯度材料作为一种高弹性模量、耐腐蚀、耐高温的新型非均匀复合材料, 其应用前景十分广阔。FGM热应力问题贯穿在功能梯度材料的设计、制造和评价的各个环节, 因此, 对FGM的热应力进行研究具有重要意义。由于FGM物性参数随坐标变化的特点, 使得对其的热应力研究较传统复合材料复杂得多。针对目前研究现状, 需要进一步开展以下几方面的研究工作:
(1) 已有研究中, 大都局限于对物性参数沿1个方向变化的FGM的热应力分析, 应进一步完善对物性参数沿2个或3个方向变化的FGM的研究;
(2) 目前有关FGM热应力问题的研究以理论研究为主, 实验研究较少, 因此, 应开展FGM热应力的实验研究, 以验证已有的理论研究成果, 并进一步为FGM热应力的理论研究提供方向;
(3) 现有研究大都是在假设FGM物性分布已知的情况下, 进行相应的热应力问题分析, 今后应开展FGM热应力逆问题的研究, 即从需要得到的温度场或热应力场分布入手, 得到相应的物性参数分布函数, 以指导功能梯度材料的优化设计。
摘要：梯度功能材料的热应力问题贯穿梯度功能材料设计、制备、性能评价及应用整个研究领域, 其中, 热传导问题是热应力研究基础。介绍了梯度功能材料的概念及热传导和热应力问题的研究背景, 重点分析了梯度功能材料热传导和热应力问题在数学模型、物性参数模型、解析方法、数值方法等方面的国内外研究进展, 并展望进一步研究方向。
梯度功能材料浅谈材料 篇3
关键词：功能梯度材料；焊接；翼轨
1 概述
随着我国高速重载铁路的快速发展，列车运行速度、承载重量和密度不断增加，致使线路上使用的合金钢组合辙叉寿命大幅降低、更换周期大幅缩短，而造成合金钢组合辙叉寿命降低的主要原因是由于翼轨磨耗严重而造成下道，目前所使用的辙叉翼轨大多是用在线淬火钢轨制成，经现场使用，由于其耐磨性能不高，导致辙叉使用寿命较短，更换频繁，与辙叉设计要求通过运量2亿吨，甚至3亿吨的目标相差较大，不仅增加了运营成本，大大增加了线路的养护维修工作量，而且使运输组织和效率也受到了很大影响。
因此，将功能梯度材料技术应用到翼轨上不仅可有效解决以上问题，延长翼轨使用寿命，从而提高合金钢组合辙叉整体使用寿命和更换周期、提高运输效率，而且具有较好的经济效益和市场前景。
2 选题理由
2.1 功能梯度材料简介
功能梯度材料是指在一个构件的不同部位需要适应不同的性能要求时，其构件不同部位的材料也与之相适应地有所不同，也就是构件的不同部位因不同的使用要求而具有不同的化学成分、不同的性能特点及不同的组织结构，二者衔接部分则具有连续变化的性能状态及显微组织结构，使之成为一个有机结合的整体。
2.2 功能梯度材料在翼轨上的应用
现有合金钢组合辙叉的结构，由于有害空间的存在，使用中形成翼轨局部区域对车轮的支承面要比钢轨正常的支承面小得多，也就是其单位面积上所承受的车轮压力将远大于钢轨，因此，要保证翼轨具有较长的使用寿命，就需要相应地提高该区域翼轨工作面的硬度和强度。因此，本课题的任务就是在翼轨顶面复合一层功能梯度材料耐磨层，以提高其工作层的硬度和强度，增强翼轨的强度和耐磨损性能，从而延长其使用寿命。
如上所述，由于翼轨工作时， 不仅产生与车轮的磨擦， 而且还有车轮传递过来的挤压力和撞击力。因此，对翼轨这样一个由钢轨钢制成的细长杆件而言，不仅要有较高的抗磨损性能，同时还要具备良好的抗冲击能力。功能梯度材料耐磨翼轨的研发，目的就是利用堆焊焊接工艺，在翼轨的工作面形成一定厚度，且具有较高硬度（设计硬度予计为HRC 42～45）和良好冲击性能（Aku>15）的耐磨层。图1所示即为在翼轨工作面上，采用梯度材料复合后的工作断面。
3 研究内容及试制过程
3.1 梯度材料合金系统的设计、试验
对于耐磨材料而言，提高耐磨性的必要途径是提高材料的硬度，而材料的硬度又与其化学成分和金相组织有关。因此，梯度材料合金系统的设计，首先是选择添加能导致材料硬化的合金元素，如Mn、Cr、Mo、Ni，而同时必须考虑这些元素加入量对金相组织稳定性的影响，通过试验确定合金系统设计见表1：
金相组织：基体钢轨母材仍保持细珠光体组织，复合层中无淬火马氏体组织。
3.2 电弧焊梯度焊接
由于梯度材料与翼轨工作面复合的工艺采用电弧焊接实现，电弧热量较高，且加热面积比较集中，无论成分或温度的变化，都有可能导致组织以及硬度的变化，因此，在制定工艺的时候，课题组对如何保证整个复合层成分、温度（包括加热温度和冷却速度）的均匀性做了大量实验，最终均通过设备自动控制功能得以实现。
在装备的设计中，除必须保证工艺实施上的要求外，还应能最大限度地减小翼轨在处理过程中的变形和残余应力，以免在随后的调直和矫正时出现开裂（本论文中以制作工艺为主，焊接设备不在此赘述）。
3.3 梯度材料的热处理
目前线路上合金钢组合辙叉中的翼轨、叉跟轨采用在线热处理钢轨制作，其硬度在HRC36左右，与合金钢心轨硬度HRC38～42有一定差别，且线路上因翼轨磨耗超限下道的合金钢组合辙叉居多。为此我们采用功能梯度材料对翼轨进行强化，并通过优化整体钢轨淬火工艺，提高翼轨工作面的硬度和强度使翼轨轨头硬度达到HRC42～45，这样不仅可延长翼轨使用寿命，而且可提高辙叉的整体寿命。
课题组在现有钢轨中频淬火生产线和先喷风后喷雾的热处理工艺的基础上，通过调整优化工艺参数，反复进行淬火试验，即调整小车变频频率、加热后的冷却风压、水量，使淬火翼轨轨头硬度达到HRC42～45，并进行取样检测，确定了提高钢轨轨头淬火硬度的工艺参数，见表2：
课题组利用表中工艺参数处理的钢轨试件取样，委托中国铁道科学研究院金属及化学研究所进行了检测，检测的轨头硬化层硬度、深度和金相组织满足TB/T1779标准要求，且硬度达到了预期指标。
3.4 功能梯度材料处理翼轨的机械加工工艺
确定功能梯度材料翼轨的制作工序和机加工工艺如下：
3.4.1 下料：用卷尺量取钢轨尺寸4855mm，然后锯切，锯切端面垂直度不大于1.0mm。
3.4.2 钻孔：钢轨定位后用75鱼尾孔钻模板钻出趾端鱼尾孔，直径31mm三个通孔。
3.4.3 划线、顶弯：按照辙岔开向划出相应轨头、轨底铣削位置，按辙叉开向顶弯，弯折段要圆顺。
3.4.4 铣轨底：按划线位置铣削轨底。
3.4.5 铣工作边轨底：按划线位置铣削工作边轨底。
3.4.6 铣轨头：按划线位置铣削轨头。
3.4.7 扭轨底坡：在钢轨扭转机上扭转翼轨跟端170mm范围内1：40轨底坡。
3.4.8 垂直调弯：在调直机上顶出钢轨垂直弯5mm，并保证轨底各直线段的直线度不大于1.5mm。
3.4.9 质量检验按《合金钢组合辙叉质量检验实施细则》的要求检测。
3.5 功能梯度材料翼轨的探伤检查
翼轨处理完成后进行磁粉和超声波探伤检查，均无异常。
3.6 梯度材料翼轨加工工序及技术要求
梯度材料翼轨加工工序及技术要求见表3。
根据确定的淬火工艺参数课题组试制了一组高强度、高硬度的75kg/m翼轨并进行了整组辙叉的试制组装，以满足重载线路大轴重、高密度和大运量运营状况下对合金钢组合辙叉使用寿命的需求。
4 功能梯度材料的性能检测
为了验证功能梯度材料的力学性能，课题组按照铁标相关规定，进行了力学性能取样送检，经中国铁道科学研究院金属及化学研究所检测，结果如下。
4.1 力学性能
4.1.1 拉伸性能（均符合要求），见表4。
4.1.2 冲击性能（均符合要求）。
采用夏比U型缺口冲击实验法，环境温度为20度，结果见表5。
4.2 经复合梯度材料耐磨层工艺处理后钢轨的整体落锤性能试验
为保证功能梯度材料耐磨翼轨运行的安全性，我们对经梯度材料复合工艺处理后的6根钢轨分别按TB/T 2344-2012 （落锤高度9.1m）和TB/T 1632.2-2005 （落锤高度5.2m） 标准要求委托中国铁道科学研究院金属及化学研究所进行了整体落锤性能试验，试验结果全部达标。由此可见，功能梯度材料翼轨的耐磨层复合工艺过程对钢轨总体性能不会造成重大影响。
综上所述，经过梯度材料合金系统的设计、试验；热处理工艺试验；机械加工工艺试制，生产出来的新型翼轨，经中国铁道科学研究院金属及化学研究所检测，性能优越，均符合铁总相关标准要求，而且具有较高的硬度值和较好的耐磨性能。2015年7月通过了北京交通大学、铁道科学研究院、太原铁路局工务处、物资处、总工室和太原、太原南、原平、大同、茶坞工务段组织的试验评审会，得到了专家一致认可。
5 结束语
采用与合金钢心轨性能相匹配的功能梯度材料进行强化后的翼轨，预计寿命为普通翼轨合金钢组合辙叉的1.5-2倍，从而使合金钢心轨的使用潜力发挥到最大，这样不仅可有效解决线路车流密度加大，与维护天窗点减少的刚性矛盾，大大减少了养护维修工时和维修成本，而且可减少因更换辙叉造成对运输效率的影响，降低运营成本，提升经济效益。
此外，梯度材料处理翼轨技术方案还可以运用到旧叉心修复上，对于因翼轨磨耗，心轨依然完好而下道的辙叉，运用该技术对翼轨进行强化修复后，可以重新上道。实现修旧利废，节支降耗的目的，同时该项技术在其他易磨损构件领域也可深入探讨，具有长远良好的经济效益。
参考文献：
[1]徐长渝.翼轨加强型合金钢辙叉的结构与工艺性研究[J].山东铁道，2013（1）.
[2]李长虹.功能梯度材料在道岔中应用的可能性[J].北方交通大学学报，2000（4）.
[3]蒋昕.大秦铁路用75kg/m钢轨18号翼轨镶嵌式合金钢辙叉的结构设计和使用[J].铁道标准设计，2013（10）.
功能材料论文 篇4
纳米材料及其应用
姓 名： 虎少奇 班 级：金材132班 学 号：***3
材料科学与工程学院
河南科技大学
纳米材料及其应用
摘 要：纳米材料由于其独特的效应，使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。近年来，随着科学技术尤其是纳米技术的发展，纳米材料已经从高精尖领域逐渐走到百姓的生活之中，它的科学价值及应用价值逐渐被发现和认识，纳米技术的研究得到了更多的关注。逐渐新兴起的的纳米材料进入人们的眼球，就需要我们对纳米材料进行更多的研究与发展，揭秘其中的奥秘之处，就像人们所认知的那样被大家熟知。为此，我们应该付出更多的努力。本文将带大家探索我们不太熟知的纳米材料的奥秘，关键词：纳米材料；效应；纳米技术；纳米结构；应用范围；
1.纳米材料
纳米级结构材料简称为纳米材料，广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围超精细颗粒材料的总称。根据2011年10月18日欧盟委员会通过的定义，纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状、团块状的天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50％以上。从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。
2.纳米材料的发展史
1962年，久保提出超微颗粒的量子限域理论，推动了实验物理学家对纳米微粒的探索。第一个真正认识到纳米粒子的性能并引用纳米概念的是日本科学家。他们在20世纪70年代用蒸发法做了超微粒子，并发现，导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。
1984年德国的H.Gleiter教授等合成了纳米晶体Pd, Fe等。并且1987年美国阿贡国立实验室Siegel博士制备出纳米TiO2多晶陶瓷，呈现良好的韧性，在100多度高温弯曲仍不裂。这一突破性进展造成第一次世界性纳米热潮，使其成为材料科学的一个分支。这使得纳米材料飞速发展。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办《Nanotechnology》和《Nanobiology》两种国际性专业期刊也在同年相继问世。标志着纳米科学技术的正式诞生。今天，纳米科技的发展使费曼的预言已逐步成为现实。纳米材料的奇特物性正对人们的生活和社会的发展产生重要的影响。
纳米材料的发展分为三个阶段：第一个阶段（在1990年以前）主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。第二个阶段（1994年以前）是人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三个阶段（1994年以后）主要是纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新的热点。
3.纳米材料的五大效应
（1）体积效应
当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化，这就是纳米粒子的体积效应。
（2）表面效应
表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随着粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。表9-2给出了纳米粒子尺寸与表面原子数的关系。
（3）量子尺寸
粒子尺寸下降到一定值时，费米能级接近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。
（4）量子隧道
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒产生变化，故称为宏观的量子隧道效应。用此概念可定性解释超细镍微粒在低温下保持超顺磁性等。
（5）介电限域
纳米粒子的介电限域效应较少不被注意到。实际样品中，粒子被空气﹑聚合物﹑玻璃和溶剂等介质所包围，而这些介质的折射率通常比无机半导体低。光照射时，由于折射率不同产生了界面，邻近纳米半导体表面的区域﹑纳米半导体表面甚至纳米粒子内部的场强比辐射光的光强增大了。这种局部的场强效应，对半导体纳米粒子的光物理及非线性光学特性有直接的影响。对于无机-有机杂化材料以及用于多相反应体系中光催化材料，介电限域效应对反应过程和动力学有重要影响。
4.纳米技术
纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。目前，纳米技术主要应用于“袖珍军团“，微型环状激光器，纳米级微电子软件，超微型计算机等方面。
5.纳米结构
纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造的一种新体系。它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。对纳米阵列体系的研究集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二位体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性，以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应，也使其成为了研究热点，按照其中支撑体的种类可将它划分为无机介孔复合体和高分子介孔复合体两大类，按支撑体的状态又可将它划分为有序介孔复合体和无序介孔复合体。在薄膜嵌镶体系中，对纳米颗粒膜的主要研究是基于体系的电学特性和磁学特性而展开的。
6.纳米材料的制备
（1）惰性气体下蒸发凝聚法。通常由具有清洁表面的、粒度为1-100nm的微粒经高压成形而成，纳米陶瓷还需要烧结。国外用上述惰性气体蒸发和真空原位加压方法已研制成功多种纳米固体材料，包括金属和合金，陶瓷、离子晶体、非晶态和半导体等纳米固体材料。我国也成功的利用此方法制成金属、半导体、陶瓷等纳米材料。
（2）化学方法：1水热法，包括水热沉淀、合成、分解和结晶法，适宜制备纳米氧化物；2水解法，包括溶胶-凝胶法、溶剂挥发分解法、乳胶法和蒸发分离法等。
（3）综合方法。结合物理气相法和化学沉积法所形成的制备方法。其他一般还有球磨粉加工、喷射加工等方法。
6.纳米材料的应用范围
就目前而言，纳米材料应用主要是天然纳米材料，纳米磁性材料，纳米陶瓷材料，纳米传感器，纳米倾斜功能材料，纳米半导体材料，纳米催化材料，纳米计算机，纳米碳管，医
疗应用，家电，环境保护，纺织工业，机械工业等方面。而被我们所了解的纳米材料大概就有纳米磁性材料，纳米陶瓷，纳米半导体材料了。
（1）纳米磁性材料
在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。
（2）纳米陶瓷材料
传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。（3）纳米半导体材料
将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。例如，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。
利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物。
总之，纳米材料存在我们生活中一切事物之中，只是我们没有发现而已，就像鸽子大脑里的导航，生活的一些半导芯片，很多的精密仪器之中都可能存在纳米材料。纳米材料已经在我们身边大量事物中出现。它的应用前景非常广阔，我们应该更深一步的研究纳米材料，揭开其神秘的面纱。
参考文献
1.丁秉钧，《纳米材料》，普通高等教育材料科学与工程专业规划教材，2011-07-27；
2.原继红，黄楠，韩晓云，康传红，孙治尧，闫尔云，纳米材料的应用，《绥化学院学报》2012年第1期 184-186, 3.王仁清，纳米材料的应用，《中国科技信息》，2004年第22期 19,21，课程学习后的收获与建议： 收获：
自当学习了功能材料之后，我便从中更深一步了解到了材料的本质，这对我们材料专业的学生来说无疑是最有帮助的，我们是学习材料的，就必须从材料的多个层面去了解，并且熟悉材料，这样才可以更加熟悉的运用材料的特性，掌握材料的本质。学习本课程之后，我们便可以从只知道材料的一些浅显的的特性像更深一层的特性去了解掌握。例如导电陶瓷的原理，铁电体，压敏陶瓷，气敏陶瓷等等这些我们听过和没有见识过的材料和材料方面的其他知识。就拿形状记忆合金来说，我们能想到的是它会记忆自己的形态，就像之前学过的Ti合金一样，但是，却没有了解它的基本原理，不知道合金的这种记忆效应是由合金的 “相变化”来实现的，随着温度的改变，合金的结构从一相转变到另一相。
总而言之，学习这门课程对我们来说还是收益颇多的，对我们今后的学习工作都将有颇为重要的作用。
建议：
功能材料 篇5
3.一次功能：当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。
二次功能：当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。
4.零电阻现象称为超导现象，凡具有超导性的物质称为超导体或超导材料。超导体在电阻消失前的状态称为常导状态；电阻消失后的状态称为超导状态。
5.“约束”超导现象的三大临界条件：临界温度（Tc）、临界电流（Ic）和临界磁场（Hc）
6.零电阻效应：当温度T下降至某一数值以下时，超导体的电阻突然变为零，这就称为超导体的零电阻效应，也称为超导电性。
7.迈斯纳效应：只要温度低于超导临界温度，则置于外磁场中的超导体就始终保持其内部磁场为零，外部磁场的磁力线统统被排斥在超导体之外。即便是原来处在磁场中的正常态样品，当温度下降使它变成超导体时，也会把原来在体内的磁场完全排出去，即超导体具有完全抗磁性。这一现象被称为迈斯纳效应
超导体的迈斯纳效应的意义：否定了把超导体看作理想导体，还指明超导态是一个热力学平衡的状态，与怎样进入超导态的途径无关，从物理上进一步认识到超导电性是一种宏观的量子现象。
迈斯纳效应产生的原因：当超导体处于超导态时，在磁场的作用下，表面产生无损耗感应电流，这个电流产生的磁场与原磁场的大小相等，方向相反，因而总合成磁场为零。即，无损感应电流对外加磁场起着屏蔽的作用，因此又称为抗磁性屏蔽电流。
8.唯象理论1)二流体模型2)伦敦方程3)金兹堡--朗道理论
9.传统超导体的微观机制1)同位素效应2)超导能隙3)库柏电子对4)相干长度5)BCS理论
10.储氢材料：是在通常条件下能可逆地大量吸收和放出氢气的特种金属材料。11.储氢方法：
（一）物理法储氢技术1.活性炭吸附储氢 2.深冷液化储氢
（二）化学储氢技术 1.金属氢化物储氢2.无机化合物储氢3.有机液体氢化物储氢
12.储氢合金材料都服从的经验法则是“储氢合金是氢的吸收元素(IA—IVA族金属)和氢的非吸收元素(VIA-VIII族金属)所形成的合金”。13.物质的磁性来源于原子的磁矩。
14.电子磁矩由两部分组成，即轨道磁矩和自旋磁矩。
15.自发磁化：通过物质内自身某种作用将磁矩排列为有序取向的现象，称为自发磁化。
磁畴：自发磁化的小区域，称为磁畴。
磁畴壁：各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。16.磁滞现象：铁磁物在外磁场作用下磁化过程的不可逆性，即磁滞现象。17.居里温度：一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，称为居里温度。
18.从实用观点，物质磁性分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性五种，前三种是弱磁性，后两种为强磁性。
19.磁性的特点：1）铁磁性物质只有在居里温度以下才具有铁磁性，在居里温度以上，就会转变为呈顺磁性物质。2）在外磁场作用下，磁化过程不可逆性，即所谓的磁滞现象。
20.软磁材料： 软磁材料主要是指那些容易反复磁化，且在外磁场去掉后，容易退磁的磁性材料。
21硬磁性材料：.硬磁性材料是指那些难以磁化，且除去外场以后，仍能保留高的剩余磁化强度的材料。它常作永磁体，又叫永磁材料。表征硬磁材料性能的主要参数是剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc和最大磁能积（BH）max，三者愈高，硬磁材料的性能越好。22.当代三大固体材料：陶瓷、金属材料、高分子材料 23.原料分类
①根据原料工艺特性分为：可塑性原料(也称瘠性原料)、熔剂性原料。
②根据原料的用途分为：瓷坯原料、瓷釉原料、色彩及彩料原料。
③根据原料的矿物组成分为：黏土质原料、硅质原料、长石质原料、钙质原料、镁质原料。
④根据原料获得的方式分为：矿物原料、化工原料。24.黏土作用概括为五个方面：
1)黏土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成形的基础。
2)黏土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。3)黏土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。
4)黏土是陶瓷坯体烧结时的主体，黏土中的Al2O3含量和杂质含量是决定陶瓷坯体的烧结程度、烧结温度和软化温度的主要因素； 5)黏土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。
25.石英在陶瓷生产中的作用
1)在烧成前是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作用，能降低坯体的干燥收缩，缩短干燥时间并防止坯体变形。
2)在烧成时，石英的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响，当玻璃质大量出现时，在高温下石英能部分熔解于液相中，增加熔体的强度，而未熔解的石英颗粒，则构成坯体的骨架，可防止坯体发生软化变形等缺陷。3)在瓷器中，石英对坯体的力学强度有着很大的影响，合理的石英颗粒能大大提高瓷器坯体的强度，否则效果相反。同时，石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。
4)在釉料中，二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中石英含量能提高釉的熔融温度与黏度，并减少釉的线胀系数。同时它是赋予釉以高的力学强度、硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性的主要因素。
26.铁氧体可分为软磁铁氧体、硬磁铁氧体、旋磁铁氧体、矩磁铁氧体和压磁铁氧体。
27.纳米材料的特性：1）表面效应 2）小尺寸效应 3）量子尺寸效应 4）宏观量子隧道效应
28.小尺寸效应：由于颗粒
尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。
量子尺寸效应：费米能级附近电子能级在高温或宏观尺寸情况下一般是连续的，但当粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级（离散能级）的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。
隧道效应：当微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。
29.典型的纳米材料：纳米颗粒型材料、纳米固体材料、纳米膜材料、纳米磁性液体材料、碳纳米管
30.智能材料：智能材料就是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。31.智能材料必须具备三个基本要素：感知、驱动和控制。
功能材料试题及参考答案 篇6
功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料、光学材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。
1、 金属、半导体、绝缘体是如何区分的?
答：它们分为良导体电阻率≤10-6m，绝缘体电阻率≈1012—1022m，介于这两者之间的半导。
2、常见的半导体材料有哪些?列出三种以上
答：，硅 锗 砷化镓
3、 从能带理论解释半导体材料的导电性，并说明其与导体和半导体的不同点。
答：半导体价带被填满，而导带被空穴填满。受到激发时，电子能够从导带的低能级跃迁到高能级，形成导电现象。导体价带被填满，而最外层电子为自由电子，填充导带，且金属的禁带宽度小于半导体的，因此电子可以从能级比较低的导带跃迁到能级比较高的导带，形成导电现象。
4、 什么是本征半导体?什么是掺杂半导体?各有什么特点?
答：本征半导体即不含任何杂质的纯净半导体，其纯度在99.999999%以上。特点：价电子不易挣脱原子核束缚而成为自由电子，本征半导体导电能力较差，空穴与电子是成对出现。 当半导体被掺入杂质时，半导体变成非本征的，也称杂质半导体，特点：半导体导电性大大增强。
5、 请以硅为例，叙述本征半导体的导电过程
答：从外界获得能量，价电子就会挣脱共价键的束缚成为自由电子，在共价键中留下一个 “空穴”。同时，这个自由电子又会去填补其它空穴。电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在运动。空穴越多，半导体的载流子数目就越多，因此形成的电流就越大。
6、 掺杂半导体根据掺杂类型不同又分为哪两种?
答：N型半导体与P型型半导体。
7、 什么是p型半导体?什么是n型半导体?
答：在本征半导体中加入5价元素如磷形成n型半导体，电子导电为主。如果加入3价元素如硼形成p型半导体，以空穴导电为主。
8、 p型与n型半导体杂质能级分布是什么样的?
答：P型半导体的杂质能级靠近价带，n型半导体的杂质能级靠近导带，非简并半导体其杂质能级位于导带和价带之间。
9、 pn结是如何形成的?它的V-I特性是怎样的?
答： p型半导体和n型半导体接触后，N区的电子要向P区扩散，而P的空穴也要向N区扩散，两种半导体交界处两边的载流子减少，而剩下不可移动的杂质离子形成空间电荷区，形成内建电场阻止载流子继续扩散，达到动态平衡形成Pn结。
10、半导体的电导率受哪些因素影响?是如何影响的?
答：掺杂浓度掺杂越高，载流子浓度越大，电导率越大，电阻率越小。对本征半导体来说，温度升高，载流子浓度增加，电导率增加，电阻率下降，对非本征半导体，在低温区与温度成3/2次方，在饱和区与温度成-3/2次方。
11、第一代、第二代、第三代半导体分别是什么?它们各有什么特点?
答：第一代半导体：元素半导体 ，如Si，Ge。应用较广，器件频率较低。第二代半导体：化合物半导体，以砷化镓、磷化铟和氮化镓等为代表，包括许多其它III-V族化合物半导体，应用较广。第三代半导体：宽禁带半导体，金刚石、SiC、GaN和AlN，禁带宽度在 2 eV 以上，拥有一系列优异的物理和化学性能。
12、什么是压电效应?正压电效应?逆压电效应?
答：压电效应是指某些物质能将电能转化为机械能或者能将机械能转化为电能的现象。正压电效应：某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷，当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态。逆压电效应：在极化方向上施加电场，它又会产生机械形变的现象。
13、压电材料可分为哪三类?
答：(1)压电晶体;(2)经过极化处理的压电陶瓷;(3)高分子压电材料。
14、请举例说明压电效应的应用。
答：玻璃破碎报警器，压电加速度传感器，压电打火。
15、介电材料、压电材料、热释电材料、铁电材料存在怎样的包含关系?
答：介电体包括压电体包括热释电体包括铁电体
16、超导现象及其特性
超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温度(Tc)。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。
零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。
完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透
入，超导材料内的磁场恒为零。
约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层(厚度约1nm)而形成低电阻连接时，
会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体
17、常用的超导材料有哪些?
元素超导体：
常压下，在目前所能达到的低温范围内，已发现具有超导电性的金属元素有28种。其中过渡族元素18种，如Ti、V、Zr、Nb、Mo、Ta(钽)、W等;非过渡族元素10种，如Bi、Al、Sn、Pb等。按临界温度高低排列，Nb居首位，Tc=9.24K;其次是元素Tc锝(De第一个人工合成的)，Tc=7.8K;第三是Pb，Tc=7.197K;第四是La，Tc=6.00K。研究发现，在施以30GPa压力的条件下，超导元素的最高临界温度可达13K。 元素超导体除V、Nb、Ta以外均属于第一类超导体，很难实用化。
合金超导体：Nb-Zr、Nb-Ti、Nb-40Zr-10Ti、Nb-Ti-Ta
金属间化合物超导体：化合物超导体与合金超导体相比，临界温度和临界磁场(Hc2)
都较高。一般超过10T的超导磁体只能用化合物系超导材料制造。如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge、Nb3Al，Nb3(AlGe)等。
陶瓷超导体：镧系高温超导陶瓷：以La2CuO3为代表; 钇系高温超导陶瓷：以
YBa2Cu2Oy为代表; 铋系高温超导陶瓷：以Bi-Sr-Cu-O为代表; 铊系高温超导陶瓷：以Tl-Ba-Ca-Cu-O为代表
18、举例说明超导材料的应用(至少举出3个)
19、什么是激光?激光的特性?
答：原意表示光的放大及其放大的方式，现在用作由特殊振荡器发出的品质好、具有特定频率的光波之意。
特性：相干性好，所有发射的光具有相同的相位;单色性纯，因为光学共振腔被调谐到某一特定频率后，其他频率的光受到相消干涉;方向性好，光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过几次反射后被逸散掉;亮度高，激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的辐射亮度比普通光高108~1010倍。
20、常用的激光材料有哪些?
21、影响发光强度因素是什么?
答：晶体结构、激活剂、激发源类型、杂质种类、温度、使用环境气氛
22、为什么发光材料中一般含有的金属原子是Fe.Co.Ni等?
答：因为这些原子含有d轨道，d电子数目较多，能级丰富，能级间隙小，发光波长长。
23、红外材料
答：是指与红外线的辐射、吸收、透射和探测等相关的一些材料。红外线的辐射起源于分子的振动和转动，而分子振动和转动起源于温度。它本质上和可见光一样是一种电磁波，波长在0.76~1000um之间。
24、热平衡辐射体
答：是当一个物体向周围发射辐射时，同时也吸收周围物体所发射的辐射能量，当物体与外界进行能量交换慢到使物体在任何短时间内仍保持确定温度时，该过程可以看作是平衡。
25、智能材料(intelligent marerials;简称IM)
答：是指对环境可感知、响应和处理后，能适应环境的材料。它是一种融材料技术和信息技术于一体的新概念功能材料。智能材料应同时具备传感(sensing)、处理(processing)和执行(actuation)三种基本功能。
26、氢能的特点及储氢方法
答：氢能是人类未来的理想能源。氢能具有热值高，如燃烧1kg氢可发热1.2×106kJ，相当于3kg汽油或4.5kg焦炭的发热量;资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达11.1%;干净、无毒，燃烧后生成水，不产生二次污染;应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。因此，氢能的开发和利用成为世界各国特别关注的科技领域。
27、储氢方法可分为物理法和化学法。
答：所谓物理方法储氢是指储氢物质和氢分子之间只有纯粹的物理作用或物理吸附。而化学法储氢则是储氢物质和氢分子之间发生化学反应、生成新的化合物，具有吸收或释放氢的特性。物理储氢技术又分高压压缩储氢、深冷液化储氢、活性炭吸附储气等;化学储氢技术包括金属氢化物储氢、无机化合物储氢、有机液态氢化物储氢等。
28、实用储氢合金应满足那些要求?
答：理论上，能够在一定温度、压力下与氢形成氢化物并且具有可逆反应的金属或合金都可以作为储氢材料。但是，要使储氢合金材料达到实用的目的，必须满足下列要求。
(1)储氢最大，能量密度高。不同金属或合金的储氢量差别很大，一般认为可逆吸氢量不少丁150m1/g为好。
(2)吸氢和放氢速度快。吸氢过程中，氢分子在金属表面分解为氢原子，然后氢原子向金属内部扩散，金属氢化物的相转变，这些步骤都直接影响吸收氢的速率和金属氢化物的稳定性。
(3)氢化物生成热小。储氢合金用来吸收氢时生成热要小，一般在-29—46kJ/mol H2为宜。
(4)分解压适中。在室温附近，具有适当的分解压(0.1—1MPa)。若分解压过高，则吸氢时充氢压力较高，需要使用耐高压容器。若分解压<0.1MPa，则必须加热才能释放氢，需要消耗能源。同时，其P—C— T曲线应有较平坦和较宽的平衡压平台区，在这个区域内稍微改变压力，就能吸收或释放较多的氢气。
(5)容易活化。储复合金第一次与氢反应称为活化处理，活化的难易直接影响储复合金的实用价值。它与活化处理的温度、氢气压及其纯度等因素有关。
(6)化学稳定性好，经反复吸、放氢，材料性能不衰减，对氢气中所含的杂质(如O2、CO、CI2、H 2S、H2O等)敏感性小，抗中毒能力强，即使有衰减现象，经再生处理后,也能恢复到原来的水平，因而使用寿命长。
(7)在储存与运输中安全、无害。
(8)原料来源广、成本价廉。
前研究并发和投入应用的.金属氢化物还没有一种完全具备上述特征，只能择重而取。
29、形状记忆效应及其三种类型(画图说明)
具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状的现象，称为形状记忆效应。具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。
形状记忆效应可分为三种类型：单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。所谓单程形状记忆效应就是材料在高温下制成某种形状，在低温时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。若加热时恢复高温相时的形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆的反复恢复高低温相形状的现象称为双程形状记忆效应。当加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状的现象称为全程形状记忆效应。
30、形状记忆合金必须具备的条件及分类
合金呈现形状记忆效应必须具备如下条件：
(1)马氏体相变是热弹性的;
(2)母相与马氏体相呈现有序点阵结构;
(3)马氏体内部是孪晶变形的;
(4)相变时在晶体学上具有完全可逆性。
按照合金组成和相变特征，具有较完全形状记忆效应的合金可分为三大系列：钛-镍系形状记忆合金，铜基系形状记忆合金和铁系形状记忆合金。
31、形状记忆聚合物及其工作原理?
辐射交联聚乙烯当温度超过熔点达到高弹性态区域时，施加外力随意改变其外形，降温冷却固定形状后，一旦再加热升温至熔点以上时，它又恢复到原来的形状，这就是形状记忆聚合物。
梯度功能材料浅谈材料 篇7
功能梯度材料是根据使用要求,选择使用两种不同性能的材料,采用先进的材料复合技术,使中间的组成和结构连续呈梯度变化,内部不存在明显的界面,从而使材料的性质和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。也就是材料组分在一定的空间方向上连续变化的一种复合材料[1]。
虽然功能梯度材料的开发是针对航空航天领域应用的超耐热材料,但由于FGM具有均质复合材料和复合材料无法比拟的优点,因为FGM通过金属陶瓷、塑料等不同有机和无机物质的巧妙结合,所以FGM的用途已由原来的宇航工业,扩大到机械工程、核能源、电子、化学、光学、生物医学工程、信息工程、民用及建筑等领域,应用前景十分广阔[2]。
玻璃-氧化铝功能梯度材料是很重要的一类功能梯度材料,它重点在于是把氧化铝和玻璃两种物理性质不同的材料结合在一起,这样材料在弹性上呈现梯度,从而使得材料的耐核磁断裂性以及耐滑移变形性,相对于传统的复合材料和块体氧化铝有明显的改善。但是,目前关于玻璃-氧化铝功能梯度材料的研究较少。本文从制备方法及梯度材料的性能两方面,阐述了目前玻璃-氧化铝梯度材料的研究进展。
1 制备方法
玻璃-氧化铝功能梯度材料可以通过不同方法制得,例如熔渗法[3,4,5,6,7,8,9]、等离子喷涂[10,11]以及层合速凝快速成型技术[12,13,14,15]。熔渗法是基于制备工艺自然传输的方法,即将熔融玻璃通过颗粒边界渗透到多晶氧化铝基体上。而等离子喷涂是添加式工艺,因为梯度材料的外形是逐层叠加起来的。层合速凝快速成型方法与等离子喷涂一样属于添加式工艺,但是价格比等离子喷涂便宜,产品性能要好。
1.1 熔渗法
通过将熔化的玻璃渗透到氧化铝基体中,制得玻璃-氧化铝梯度材料。为了制备样品,玻璃薄片要放置在氧化铝基体上,如图1所示。它们的表面已经很平整,因此玻璃和氧化铝表面不进行抛光。然后氧化铝和玻璃进行热处理,从而得到玻璃-氧化铝功能梯度材料。
熔渗法根据最初玻璃的聚集状态可分为粉末熔渗法和块体熔渗法。
1)粉末熔渗法
为制备粉末熔渗功能梯度材料,玻璃粉要过32微米的网筛,以水溶性悬浮液的形式涂抹在氧化铝基体上,为了得到流动性较好的悬浮液,粉体的质量分数为66%,并且加入2wt%的乙烯基粘结剂以改进玻璃-氧化铝生坯机械性能,将1mm厚的悬浮液层涂在氧化铝基体上,之后在炉中干燥。最后对玻璃-氧化铝系统进行热处理,使玻璃熔化并且渗透到多晶氧化铝基体上。热处理是以5℃/min从室温升到500℃,在以10℃/min从500℃到1600℃,在1600℃时保温4个小时,之后从1600℃降到1000℃以20℃/min,最后随炉冷却到室温。
2)块体熔渗法
块体熔渗的梯度材料,通过1mm厚玻璃片放在氧化铝基体上表面,之后进行同样的热处理得到。
1.2 等离子喷涂
热溅射功能梯度材料,由一种多层玻璃-氧化铝涂层,通过等离子喷涂到氧化铝基体上而得到的。事实上,涂层是由沉积的许多层组成,每层通过溅射混合氧化铝粉和钙锆硅玻璃粉。层的主要成分,从与基体相接触层的成分(80vol%的氧化铝-20vol%的玻璃),逐渐变化到顶层成分为100vol%玻璃。基体表面首先喷撒一些Si C粉体,以提高涂层附着性,并且为优化溅射过程将玻璃粉喷成雾状。总的来说,热溅射功能梯度材料要合理设计热处理以促进烧结,控制玻璃晶化。
1.3 层合速凝快速成型技术
王秀峰等人利用层合速凝快速成型技术制作玻璃-氧化铝功能梯度材料。主要有两种方法:基于聚乙烯醇胶凝特性的陶瓷零件快速制造技术和基于石蜡胶凝特性的陶瓷零件制造技术。
1.3.1 基于聚乙烯醇胶凝特性的陶瓷零件快速制造技术
为了清楚的表示快速成型技术工艺,逐一阐述各个步骤。图2系统的显示了制备工艺。
1)首先用三维造型软件生成需要制造的陶瓷零件的三维实体模型,然后用分层软件对三维实体模型进行分层,将三维实体模型分成厚度为1.0mm的一系列薄层,得到每层的形状;
2)将制备好水溶性的悬浮体(含95%玻璃-5%氧化铝)充入镂空的矩形层厚限制的蜡膜中,这个蜡膜作为支撑平台所用,从而获得悬浮体的确切厚度,如图2(a)所示。将涂有4wt%聚乙烯醇水溶液的玻璃辊子立即在悬浮体上碾过,由于蜡膜的保护,得到一层有着固定厚度1.0mm,并且含95%玻璃-5%氧化铝的悬浮体。
3)锥形刀具随着给料管按照第一层的形状切割上述得到的悬浮体,并且切割的深度确定在1.0mm与每一层的厚度一致。如图2(b)所示。形状中的外部和内部部分通过切割划分成若干个小网格。安装在锥形刀具上的喂料器随后打开,然后将15wt%聚乙烯醇水溶液加入到悬浮体的狭缝中。完成上述操作,刮去表面多余的悬浮体和聚乙烯醇水溶液。
4)含量为4%的四硼酸钠喷洒在悬浮体的表面,喷洒的量大约为每层悬浮体量的20%左右。如图2(c)所示。反应20秒钟后,一层凝胶化的95%玻璃-5%氧化铝实体框架形成。然后在20%功率,频率为2450MHZ的微波发生器下快速干燥10秒钟。
5)在制备好第一层的95%玻璃-5%氧化铝之后,将镂空的限制厚度的蜡膜提升1mm厚度,剩余的90%玻璃-10%氧化铝和85%玻璃-15%氧化铝凝胶化实体框架,按照每一层的形状逐层制备。如图2(d)所示。分别经过切割,给料,凝胶化和干燥,得到玻璃-氧化铝功能梯度材料生坯。经过进一步干燥,排除有机粘结剂和烧结后,得到最终的三层玻璃-氧化铝功能梯度材料。如图2(e)所示。
1.3.2 基于石蜡胶凝特性的陶瓷零件制造技术
先将熔化的石蜡制成蜡板,然后根据计算机设计,在制备好的蜡板上刻出所需的图形,接着在镂空部分注入含100%玻璃料制得第一层,重复上述操作就可得到95%玻璃-5%氧化铝层,90%玻璃-10%氧化铝层,85%玻璃-15%氧化铝层,将这几层叠加获得陶瓷生坯,最后进行烧结处理得到陶瓷制件。工艺流程如图3所示。
2 性能研究
2.1 粉末熔渗功能梯度材料
粉末熔渗功能梯度材料的衍射图与氧化铝断面显示同一种峰(如图4所示)。这就意味着不是热处理,也不是玻璃渗透引起新的晶形产生。对于功能梯度材料剖面的X-EDS分析,将SiO2设定为玻璃的标志,因为最初基体上不存在。X-EDS测试结果证明在“粉末熔渗功能梯度材料”中是玻璃熔渗到氧化铝基体,穿透最大深度约5000微米。
2.2 块熔渗功能梯度材料
它的XRD图同粉熔渗功能梯度材料十分相似:也就是说结晶相仅是α-Al2O3。X-EDS分析证明玻璃渗透到氧化铝基体上达1600微米深度。所以,如果渗透的是玻璃块体而不是粉体,那么渗透的最大深度较小。事实上,可能粉状玻璃比块状玻璃易反应,从而增加了渗透的动力。SEM研究显示“块熔渗”方法不会引起新相的晶化,特别是氧化锆相。钙锆硅玻璃块状通常比粉状的难结晶,这与事实一致。
2.3 热溅射功能梯度材料
与前面两种不同,热溅射功能梯度材料衍射图显示两种不同的峰,一种为α-Al2O3基体,另一种是γ相是由溅射氧化铝粉体中部分α相转变而来的,这是由高温反应之后迅速冷却而引起的。
SEM测试结果显示最终处理的涂层约500微米厚。氧化铝和玻璃容易区分,但在中间界面处连接处,有残余气孔分散在涂层中。溅射体系主要问题是基体-涂层界面的粘结性不好。所以热溅射功能梯度材料需两次保温,第一阶段是在850℃保温30分钟,开始烧结,第二阶段是在1050℃保温30分钟,使最后晶形控制为Ca2ZrSi4O12,可通过衍射图证明。尽管气孔不能完全消除,假设大部分气孔为圆形,则会改善涂层与基体粘结力。
2.4 层合速凝快速成型功能梯度材料
2.4.1 基于聚乙烯醇胶凝特性功能梯度材料
图5为玻璃-氧化铝复合材料的抗弯强度和吸水率随烧成温度变化的曲线,实线为抗弯强度虚线为吸水率。从图中可知,强度曲线在700℃以前都是上升的,变化比较明显,此后强度变化不大,基本上稳定下来。相反,吸水率在700℃以前是减小的,变化幅度较大,此后吸水率又呈上升趋势,这是材料由于过烧其中的气孔增加造成的。图6为梯度层的强度和吸水率随烧成温度的变化曲线。在整体上与双层的变化情况相同,所不同的是随着梯度层中Al2O3平均含量的增加,坯体的强度升高,三层的材料比双层的整体强度高。吸水率在700℃前后两个区域整体上比双层材料的变化小,比较平稳。
2.4.2 基于石蜡胶凝特性功能梯度材料
图7为排蜡不完全试样的断面形貌。可以看出试样有较明显的分层现象,但两界面处也能发现有一个相互渗透的区域。分析原因可能是:(1)模具温度较高,叠层时层与层之间已开始相互渗透;(2)石蜡虽没有排完全,但仍有部分石蜡以气体形式被排出,气体通过界面时起到了搅拌作用。排蜡完全的样没有发现分层现象,层与层结合的非常紧密,但存在一些直径在10～20μm的气孔。分析这些气孔存在的原因可能是:(1)在制备试样时蜡浆搅拌不均匀,把空气带入蜡浆内,使坯体中出现气泡;(2)排蜡过程中时间不够充分,料浆中的空气未排除干净,使坯体出现气泡。
3 小结