功能材料梯功能材料.pptx

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第1页/共44页功能梯度材料概述功能梯度材料（Functionally Graded Materials,以下简称FGM）的概念是由日本材料学家新野正之、平井敏雄和渡边龙三等于1987年提出。FGM就是为了适应新材料在高技术领域的需要,满足在极限温度环境(超高温、大温度落差)下不断反复正常工作而开发的一种新型复合材料。如图所示，在金属底层与热障工作层之间引入成分过渡层，消除涂层中的宏观界面，合成一种非均一的复合材料，其机械、物理、化学特性是连续变化的，没有突出，缓和了涂层中的热应力等，成为可以应用于高温环境的新一代功能材料。第2页/共44页神州号神州号杨利为杨利为第3页/共44页聂海胜、费俊龙聂海胜、费俊龙第4页/共44页每秒每秒3.23.2公里，公里，1010倍音速倍音速背景：航空方面背景：航空方面第5页/共44页不锈钢陶瓷(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氧化物陶瓷熔点均在2000K2000K以上，密度：以上，密度：Al2O3=4.0Al2O3=4.0；TiB2=4.5TiB2=4.5；SiCSiC3.123.12等等虚线压应力区；虚线压应力区；0 0无应力区无应力区比较发现：比较发现：1.1.成分突变会导致应力集中（解决不成分突变会导致应力集中（解决不好，哥伦比亚号坠毁，见图）好，哥伦比亚号坠毁，见图）2.2.成分逐步过渡，应力集中大大降低成分逐步过渡，应力集中大大降低3.3.无梯度样品冷却时开裂，有梯度样无梯度样品冷却时开裂，有梯度样品有近品有近400MPa400MPa结合强度结合强度4.4.有梯度时集中区拉应力仅为无梯度有梯度时集中区拉应力仅为无梯度时的时的1/31/31/41/4设计设计第6页/共44页成分设计：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。第7页/共44页第8页/共44页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-297-297华氏度液氢的温度约为-423华氏度绝热瓦第9页/共44页12.1 12.1 功能梯度材料概述功能梯度材料概述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 2 梯度功能材料梯度功能材料(functionally gradient materials，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。第10页/共44页 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。第11页/共44页人体长骨结构示意图人体长骨结构示意图生物功能梯度材料无机：无机：羟基磷灰石羟基磷灰石碳酸磷灰石碳酸磷灰石有机：有机：胶原纤维胶原纤维骨是无机与骨是无机与有机的复合有机的复合材料材料第12页/共44页注意：注意：梯度材料与合金材料、复合材料的区别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-0.1m0.1m-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第13页/共44页3 梯度功能材料的特点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 4 梯度功能材料分类梯度功能材料分类 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第14页/共44页2 2）组成变化上分：）组成变化上分：（1 1）梯度功能整体型）梯度功能整体型(从一侧到另一侧组成梯度变化从一侧到另一侧组成梯度变化)（2 2）梯度功能涂履型）梯度功能涂履型(涂层的组成梯度变化涂层的组成梯度变化)（3 3）梯度功能连接型）梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化粘接接缝的组成梯度变化)3 3）功能上分：）功能上分：（1 1）热防护梯度功能材料）热防护梯度功能材料 （2 2）折射率梯度功能材料）折射率梯度功能材料第15页/共44页原料体系原料体系方法类别方法类别方法方法气相气相化学法化学法化学气相沉积法化学气相沉积法物理法物理法物理气相沉积物理气相沉积溅射法溅射法离子注入法离子注入法液相液相化学法化学法电镀法电镀法氧化还原法氧化还原法物理法物理法熔射法熔射法熔体凝固法熔体凝固法固相法固相法化学法化学法自蔓延法（热分解法）自蔓延法（热分解法）涂层法涂层法物理法物理法烧结法烧结法部分结晶法部分结晶法扩散法扩散法12.2热防护梯度功能材料的制备方法第16页/共44页一、化学气相沉积技术热应力缓和型热应力缓和型SiC/C SiC/C 梯度材料的梯度材料的CVDCVD合成合成原料：原料：SiClSiCl4 4+CH+CH4 4+H+H2 2H H2 2-载体气载体气SiClSiCl4 4（液态）硅源（液态）硅源CHCH4 4-C-C源源发热体石墨发热体石墨基板石墨基板石墨常见热防护梯度功能制备工艺第17页/共44页过程：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：特点：1.1.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：应用：TiTiC、TiTiN、CrCrN、SiCCTiC等第18页/共44页二、物理气相沉积技术控制因素：控制因素：1.蒸发速度蒸发速度2.蒸发物质的组成蒸发物质的组成3.基板温度基板温度4.反应气体的导入量反应气体的导入量阴极：中空阴极：中空阳极：铜坩锅阳极：铜坩锅氩气：阴阳级放电时氩气：阴阳级放电时 氩气电离产生氩气电离产生 氩等离子体氩等离子体坩锅中金属：受热、坩锅中金属：受热、熔融、蒸发、熔融、蒸发、沉积于基板沉积于基板第19页/共44页过程：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：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：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/陶瓷的复合物第20页/共44页喷涂工艺参数第21页/共44页三.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SHSSHS反应模型示意图反应模型示意图钢管铝热剂Al2O3陶瓷Fe层离心复合梯度层离心复合梯度层第22页/共44页过程过程：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：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：应用：1 1）电磁加压自蔓延：TiB2Cu；2）自蔓延热等静压相结合：TiCTiC+10Ni/TiC+20NiTiC+30Ni；3）爆炸压实生坯自蔓延：A12O3Ti密度从82到94第23页/共44页四、颗粒梯度排列法 是类似于粉末冶金法的一种烧结方法，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。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，尺寸受缺点：工艺复杂，一定的孔隙率，尺寸受模限制。模限制。颗粒直接填充法：颗粒直接填充法：将金属、陶瓷等粒子按一定的梯度分将金属、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、浇结而成布直接填充到模具中经过加压、浇结而成薄膜叠层法：薄膜叠层法：将金属和陶瓷粉末掺人微量胶粘剂、分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、烧结将这些不同成分和结构的薄膜叠层、烧结第24页/共44页 粉末冶金法(PM)是制备FGM最常用、最简单的方法,一般是先成形后烧结,通过控制和调节原料粉末的粒度分布、烧结温度、烧结时间和烧结收缩的均匀性获得热应力缓和的FGM。其优点是设备简单、易于操作、成本低,缺点是难以实现物料层组分的连续变化,不能完全消除料层间界面。PM法可分为喷射沉积法、薄膜叠层法、粉浆浇注法和浸渍法等。5粉末冶金第25页/共44页 喷射沉积可以直接得到金属与陶瓷粉末相组成具有最佳梯度分布的预成形坯,然后经压制、烧结制得FGM,解决了层与层间易产生成分非连续变化的问题。此外,将不同配比的金属粉、陶瓷粉和粘结剂制成悬浮液,然后喷射到基底上,通过改变原粉料成分配比来控制喷射相的成分,最终也可以获得梯度材料。薄膜叠层法是在金属和陶瓷粉末中掺微量粘结剂,制成泥浆并脱出气泡压成薄膜,然后将这些不同成分和结构的薄膜脱除粘结剂后进行叠层、烧结。其优点是每层可以做得很薄,成分变化相对较小。第26页/共44页真空烧结温度为1250，压力为510MPa，时间1h，石墨模具内壁涂六方氮化硼（hBN）以防止烧结过程中模具与试样反应，便于出模。NiCr合金ZrO2;第27页/共44页粉末混合得均匀度和预压、烧结工艺是粉末冶金法制备功能梯度材料的关键步骤。本研究采用湿法机械混合，混合介质为乙醇。星型球磨机，转速为300转/min，混合24小时。混好后所得粉末经干燥研磨备用。原料粉末混合第28页/共44页对于每单层复合材料采用冷压成型，压力为80150MPa。对于FGM梯度件，采用迭层法，按照从金属到陶瓷过渡得顺序依次铺设，一次性压制。每层原料的称量的精度和铺设的均匀性对最终梯度材料的成型和组织性能有很大影响。并且注意不要损失，否则影响应力分布，对试样的完整性造成破坏。材料梯度预成型第29页/共44页在某些方向上组分是逐渐变化的，各梯度层之间的烧结平衡问题必须考虑；梯度材料各梯度层的烧结速率和线收缩率不可能达到一致，因此有必要用热压烧结法制备FGM，在高温烧结时对FGM烧结毛坯施以压力，使各相产生塑性变形和流动，减少各相线收缩率差异导致的微观缺陷；通过其宏观流动性把各梯度层的烧结收缩限制在FGM中的一定方向上，减小相邻梯度层之间的烧结收缩不平衡，抑制FGM总体变形和收缩率较高的梯度层中微裂纹的产生。热压时，材料致密化的驱动力主要是原料粉末的表面能以及所施加的压力，对ZrO2-NiCr系复合材料的热压烧结后的结果研究表明，采用510MPa的压力于2501280热压烧结1h可以获得满意的效果；为了保证FGM的正常烧结，还必须保证FGM中的制备残余应力足够小，这需要FGM具有合理的结构。烧结工艺FGM第30页/共44页在氧化锆含量为50以上时，烧结梯度层内的m相含量增多。并且在ZrO2含量为50，60和纯氧化锆时含量最多。原因：当氧化锆含量比较少时，在富金属区域，以较大的金属网格为基体，氧化锆分散在金属基体中，相变阻力很大，所以高温冷却时保留了全部的亚稳t相。在富陶瓷区域，陶瓷为基体连成片，保留了很多m相。第31页/共44页断口形貌系均匀复合材料Z0到Z30的拉伸试样断口的SEM形貌。断口呈现大量的韧窝，陶瓷颗粒分布在韧窝底部，表明其断裂行为受基体连续相NiCr合金的控制，宏观上表现为塑性断裂；随陶瓷含量的增加，韧窝的数量逐渐下降，其尺寸也有所减小，表明NiCr合金基体相在微观上的断裂行为并没有发生变化，仍然存在较大的塑性变形。第32页/共44页(a)Z50；(b)Z70(c)和(d)图(a)中A区和B区的EPMA成分断裂在宏观上已经明显表现为脆性断裂。由图可见，断口平整，没有明显的韧窝。对基体相和颗粒相的能谱分析表明，基体相为氧化锆陶瓷相，NiCr合金颗粒镶嵌在陶瓷基体上，断裂时合金颗粒由基体脱出。可见，在富陶瓷区的基体由NiCr合金转变为ZrO2陶瓷，微观断裂机制由韧窝型为主转变为以沿晶型为主。第33页/共44页ZrO2-NiCr系均匀断裂韧性试样断口的SEM形貌(a)Z60(b)Z70(c)Z80Z90对富陶瓷的复合材料，基体由NiCr合金转变为ZrO2陶瓷，微观断裂机制由韧窝型为主转变为以沿晶型为主，断口较为平整，呈现典型的脆性断裂特征。第34页/共44页功能梯度材料的应用航空航天领域 在航空航天领域,日本学者将PSZ/Ti的功能梯度材料应用在火箭推进器燃烧室的内壁上,结果表明,具有功能梯度涂层的热循环寿命明显高于无功能梯度涂层的寿命;功能梯度涂层在航空涡轮发动机叶片上的应用使其具有优良的耐磨性、耐蚀性和耐热性;在燃烧室内衬上的应用提高了其耐磨性。第35页/共44页2机械工程领域 在机械工程领域,外硬内韧的梯度切削刀具有着良好的综合性能,刀具的使用寿命长,切割效率高,与硬质合金刀具相比,其耐磨性提高了2倍,寿命提高了5倍;梯度自润滑轴承解决了基体强度与孔隙度之间的矛盾,与均质自润滑轴承相比,梯度自润滑轴承的极限PV值由2.0 Pam/s提高到4.0 Pam/s,使用寿命提高2倍多.功能梯度涂层应用在抛光刀具、微型钻头上,使其冲击韧性和使用寿命得到了较大幅度的提高.功能梯度材料在地质钻探工具上的应用实现了地质钻探工具的高强度、高韧性、高耐磨性的统一,具有优异的综合性能。第36页/共44页3生物工程领域 在生物工程领域,功能梯度生物体植入材料在植牙中的应用,使治愈时间缩短,齿根牢固,不易破坏.在人工骨关节上的应用使得假体与骨之间具有很强的结合力并耐用,表现出了良好的生物相容性.还具有良好的自愈合、修复、再生等特性。第37页/共44页4、光、电、磁工程领域 在光、电、磁工程领域,梯度封接合金材料在电真空器件中用于封接石英玻璃外壳及金属电极,既具有与钨极一样的导电性,又能与灯壳体达到匹配封接,并保证灯壳与电极间的绝缘性,从而提高了大功率灯泡的使用寿命.功能梯度折射材料在大功率激光棒、复印机透射、光纤接口中的应用,得到了较好的光电效应并缓和了热应力.功能梯度材料在磁盘、永磁体、电磁体、振荡器上的应用,可减小体积和质量,提高性能。第38页/共44页5能源及电气工程领域 在能源及电气工程领域,梯度耐辐射材料在核聚变反应器中的应用表现出良好的热应力松驰效应.梯度热电能转换材料在探测器电源上的应用使发电能力提高了10%,在发电系统的发射极上的应用使其热应力得到了巨大的缓和,即使在1 860 下也不会发生龟裂,在该系统的低温电极端的放热基板上的应用表现出了高的热传导率和高的辐射放热率.对称梯度材料具有较高的热传导率、电绝缘性及优异的平面内导电率和很高的热电转换效率,可应用于高能热电源转换系统。第39页/共44页一、概念复合材料 快速烧成 晶界异相偏析效应 晶界 复合材料增强相 空心注浆 实心注浆 陶瓷基复合材料 釉 釉上装饰 釉下装饰 烧结范围 陶瓷烧成 触变性 拱桥效应 可塑性指数 可塑性指标 热压铸成型 耐火度梯度功能材料第40页/共44页1、分别叙述黏土、石英、长石在陶瓷生产中的作用。2、钾长石和钠长石的熔融特性？它们存在差异的原因。3、分析粘土的组成和性能，通常从哪三方面来分析，为什么？4、简述预烧的目的5、影响可塑性和触变性的原因。6、石英的理论晶型转化情况？一级转变的特点？二级转变的特点？一级转变和二级转变相比体积效应的特点。二、问答题第41页/共44页8、成型后的坯体为什么要进行干燥？9、坯体干燥过程中要经历哪几个阶段？坯体如何变化？10、泥浆流动性与哪些因素有关？11、影响泥浆压滤效率的因素。12、简述注浆成型过程中的物理化学变化。13、简述流延成型及成型过程。14、乳浊釉的乳浊机理是什么？分析影响乳浊效果的主要因素。第42页/共44页15、瓷坯中莫来石的种类及由来。16、液相对坯体的成瓷作用17、陶瓷的强度与其显微结构的关系？如何控制生产工艺过程保证制品有较高的强度？18、从坯釉料化学矿物组成的特征出发，论述我国南方和北方陶瓷生产工艺的特点以及产品特色。19、试述陶瓷材料的相组成特点及其对材料性能的影响。20、影响瓷器透光度的主要因素。21、高岭石、蒙脱石，伊利石同属层状结构，但其可塑性具有很大差异，其不同的原因。第43页/共44页感谢您的观看！第44页/共44页