梯度功能材料及其应用

梯度功能材料（Functionally Gradient Materials，简称FGM），也叫倾斜功能材料，它是相对均质材料而言的。梯度功能材料早已存在于自然界中。日本东北大学高桥研究所对海螺壳体的组织观察发现，在贝壳极薄的横断面中其组织呈极其圆滑的梯度变化，这种梯度变化的组织特征正是海贝能耐外界的强烈冲击且轻质高强的秘密所在。

一般复合材料中分散相为均匀分布，整体材料的性能是统一的。但在有些情况下，人们常常希望同一件材料的两侧具有不同性质或功能，又希望不同性能的两侧结合得完美，避免在苛刻使用条件下因性能不匹配而发生破坏。以航天飞机的推进系统中最有代表性的超音速燃烧冲压式发动机为例，燃烧气体的温度要超过2 000K，对燃烧室内壁产生强烈的热冲击；另一方面，燃烧室壁的另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用。这样，燃烧室内壁一侧要承受极高的温度，接触液氢的一侧又要承受极低的温度，一般的均质复合材料显然难以满足这一要求。于是，人们想到将金属和陶瓷联合起来使用，制作陶瓷涂层或在金属表面复合陶瓷（相应称为涂层材料和复合材料），用陶瓷去对付高温，用金属来对付低温。然而，用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时，由于二者的界面热力学特性匹配不好，将会在金属和陶瓷之间的界面上产生很大的热应力而导致界面处开裂或使陶瓷层剥落以致引起重大安全事故。基于这类情形，人们提出了梯度功能材料的新设想：根据具体要求，选择使用两种具有不同性能的材料，通过连续地改变两种材料的组成和结构，使其内部界面消失，从而得到功能相应于组成和结构的变化而缓变的一种非均质材料，以减小单纯复合结合部位的性能不匹配影响。以上述航天飞机燃烧室壁为例，在承受高温的一侧配置耐高温的陶瓷，用以耐热隔热，在液氢冷却的一侧则配置导热性和强韧性良好的金属，并使两侧间的金属、陶瓷、纤维和空隙等分散相的相对比例以及微观结构呈一定的梯度分布，从而消除了传统的金属陶瓷涂层或复合之结合部位的界面。通过控制材料组成和结构的梯度使材料热膨胀系数协调一致，抑制热应力。这样，材料的机械强度和耐热性能将从材料的一侧向另一侧连续地变化，并使内部产生的热应力最小，从而同时起到耐热和缓和热应力的作用。

许多工件材料，其一侧主要要求耐磨，另一侧主要为高韧性的承载体。如果把它设计为其组成和性能在厚度方向呈连续缓变的材料，同样的道理，其使用性能也将优于均质材料或复合材料，成为一种耐磨和高韧度达到协调一致的梯度功能材料。梯度功能材料与几类常规材料在结构和性能上的区别如图8－4所示。

图8－4　三种材料的结构和性能特征

由此可见，梯度功能材料就是针对材料两侧不同甚至相反的使用工况，调整其内部结构和性能，使之两侧与不同的工况条件相适应，并使之在厚度方向呈现连续的梯度变化，从而达到组织结构的合理配置、热应力最小、耐磨与强韧的协调及造价最低等目的。它克服了常规均质复合材料及涂层复合材料的局限性，在材料科学领域中具有广阔的前景。

1）梯度功能材料的制备

梯度功能材料的性能取决于体系组分选择及内部结构的合理设计，而且必须采取有效的制备技术来保证材料的设计。下面是已开发的梯度材料制备方法。

（1）气相合成法　气相合成法分为物理气相沉积法（PVD法）、化学气相沉积法（CVD法）和物理化学气相沉积法（PVD－CVD法）。这些方法的基本特点是通过控制反应气体的组成和流量，使金属、半金属和陶瓷组成连续地变化，从而在基板上沉积出组织致密、组成倾斜变化的梯度功能材料。日本材料研究者用PVD法合成了Ti－TiC、Ti－TiN等梯度功能材料；用CVD法合成了厚度为0．42mm的C－SiC，C－TiC等梯度功能材料。(www.xing528.com)

（2）等离子喷涂法　采用多套独立或一套可调组分的喷涂装置，精确控制等离子喷涂成分来合成梯度功能材料。采用该法需对喷涂比例、喷涂压力、喷射速度及颗粒粒度等参量进行严格控制，现已制备出ZrO－Ni－Cr等梯度功能材料。

（3）颗粒梯度排列法　颗粒梯度排列法又分为颗粒直接填充法及薄膜叠层法。前者将不同混合比的颗粒在成形时呈梯度分布，再压制烧结。后者是在金属及陶瓷粉中掺微量胶黏剂等，制成泥浆并脱除气泡压成薄膜，将这些不同成分和结构的薄膜进行叠层、烧结，通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性，可获得良好热应力缓和特性的梯度功能材料。

（4）自蔓延高温合成法（SHS）　利用粉末间化学放热反应产生的热量和反应的自传播性使材料烧结和合成。现已制备出Al－TiB2、Cu－TiB2、Ni－TiC等体系的平板及圆柱状梯度功能材料。

此外，还有离心铸造法、液膜直接合成法、薄膜浸渗成形法、共晶结合法等制备方法。

2）梯度功能材料的应用

梯度功能材料的开发是与新一代航天飞机的研制计划密切相关的。以美国现有航天飞机为例，目前唯一的再用型火箭发动机的再用次数目标为100次，而实际只能再用20～30次。因此，具有良好隔热性能的缓和热应力型的梯度功能材料今后将广泛用于新一代航天飞机的机身、再用型火箭燃烧器、超音速飞机的涡轮发动机、高效燃气轮机等的超耐热结构件中，其耐热性、再用性和可靠性是以往使用的陶瓷涂层复合材料无法比拟的。

虽然梯度功能材料的最先研制目标是获得缓和热应力型超耐热材料，但从梯度功能的概念出发，通过金属、陶瓷、塑料、金属化合物等不同物质的巧妙梯度复合，梯度功能材料在核能、电子、光学、化学、电磁学、生物医学乃至日常生活领域也都有着巨大的潜在应用前景，见表8－4所列。

表8－4　梯度功能材料的应用领域、范围及预期效果