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梯度功能復(fù)合材料的發(fā)展研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用
鄭州大學(xué) 李勇輝 2014/1/8 16:10:19
摘要：本文簡(jiǎn)要論述了梯度功能復(fù)合材料的發(fā)展歷史，簡(jiǎn)要分析了其技術(shù)優(yōu)勢(shì)及其特點(diǎn)。列舉了現(xiàn)階段典型的制備工藝及其特點(diǎn).。簡(jiǎn)單介紹了關(guān)于梯度功能復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用概況。
關(guān)鍵詞：梯度功能復(fù)合；材料；技術(shù)；發(fā)展；綜述
前言梯度功能復(fù)合材料是一門(mén)新興技術(shù)，其產(chǎn)生和發(fā)展的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)，材料構(gòu)成要素（結(jié)構(gòu)、組成等）沿著厚度方向從一側(cè)向另一側(cè)連續(xù)變化，從而達(dá)到材料性質(zhì)和功能也隨之呈梯度變化是它的主要特點(diǎn)。因此，梯度功能復(fù)合材料擁有較高的力學(xué)強(qiáng)度、抗熱沖擊、耐高溫性能（達(dá)2000℃以上）等特點(diǎn)。
梯度復(fù)合材料的研究?jī)?nèi)容
梯度功能材料的概念最早由日本的新野正之于平井敏雄等提出。以美國(guó)的國(guó)家空間計(jì)劃出臺(tái)為背景產(chǎn)生。梯度材料的設(shè)計(jì)、梯度材料的制備與結(jié)構(gòu)控制以及梯度材料特性評(píng)價(jià)三點(diǎn)構(gòu)成了梯度功能復(fù)合材料研究?jī)?nèi)容的三個(gè)要素；也可視為三個(gè)基本要素的正過(guò)程或者逆過(guò)程，三者相互聯(lián)系，不可分割。以熱應(yīng)力緩和性梯度復(fù)合材料舉例說(shuō)明。
1.梯度材料設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)方面構(gòu)成；熱應(yīng)力緩和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及構(gòu)成梯度材料的物系設(shè)計(jì)。在所選定的物系前提下保持梯度材料的熱應(yīng)力適宜性是熱應(yīng)力緩和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)。所選出的性質(zhì)與目標(biāo)環(huán)境（溫度、氣氛、強(qiáng)度等等與目標(biāo)環(huán)境相適應(yīng)是物系設(shè)計(jì)的主要考慮方面，此外所選擇材料的物理和化學(xué)相容性也要充分給予注意，具體包括熱膨脹率相差要保持在一定范圍、兩相之間的潤(rùn)濕性較好、材料制備條件應(yīng)盡量同一（同時(shí)致密化、兩相的燒結(jié)特性等）。
2.通過(guò)材料制備工藝和結(jié)構(gòu)控制手段實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，是梯度材料研究三要素中的核心。實(shí)現(xiàn)梯度材料的組分和結(jié)構(gòu)漸變的手段很多，但最常用的有化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法、顆粒排列法、薄膜跌增法、等離子熔射法、電解法和自蔓延加壓合成法等。
3.梯度材料研究的第三個(gè)環(huán)節(jié)是梯度材料的特性評(píng)價(jià)。不同類型的梯度材料需要評(píng)價(jià)其不同的特性，例如耐循環(huán)熱沖擊性能熱應(yīng)力和隔熱性能是緩和型梯度材料的主要評(píng)價(jià)方面，而綜合熱電變化效率則是熱電變換型梯度材料的主要評(píng)價(jià)方面。
二、梯度復(fù)合技術(shù)與結(jié)構(gòu)控制方法
1.化學(xué)氣相沉積技術(shù)
化學(xué)氣相沉積技術(shù)在材料的合成方面具有很多優(yōu)點(diǎn)，它的合成溫度可以遠(yuǎn)低于材料的熔點(diǎn)，且得到的產(chǎn)物致密，純度高�？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整原料氣體的流量、溫度等來(lái)控制材料組分、結(jié)構(gòu)狀態(tài)。另外它和物理氣相沉積法和燒結(jié)法相比，有如下特點(diǎn)，第一成膜速度快，且可以對(duì)體積較大，形狀非常復(fù)雜的基體極性快速表面鍍層；第二不需要助燃劑和粘結(jié)劑。所以此法從很早就被用來(lái)進(jìn)行材料表面處理，例如金屬表面的改性，合成具有折射率梯度變化的光導(dǎo)纖維等。
2.物理氣相沉積技術(shù)
用直接加熱或者用等離子體能量束、等離子電子束直接激發(fā)固體，使反應(yīng)物蒸發(fā)至分子或者原子狀態(tài)；或直接在基板上與反應(yīng)氣體相互作用最終沉積的方法被稱作物理氣相沉積技術(shù)。物理氣相沉積技術(shù)原則上可合成多種物質(zhì)包括碳化物、氯化物、氧化物在內(nèi)的陶瓷以及金屬陶瓷復(fù)合產(chǎn)物等，可選擇面十分寬廣。并且產(chǎn)物純度高、組成控制精度高，但成厚膜很困難。
3.自蔓延快速加壓梯度復(fù)合技術(shù)
用自蔓延快速加壓技術(shù)制備具有塊體特性的梯度復(fù)合材料時(shí)，由于物象的組成、熔點(diǎn)、燒結(jié)致密化溫度都相對(duì)式樣位置呈梯度變化，所以必須配合以特殊的加壓技術(shù)，尤其是加壓的時(shí)機(jī)和加壓速度。
4.等離子熔射復(fù)合技術(shù)
等離子熔射制備梯度涂層膜，從設(shè)備特點(diǎn)和成膜的性能考慮有兩種主要方法；一是常壓雙槍式等離子熔射，另一種是減壓等離子熔射。等離子熔射是利用各種等離子體的發(fā)生來(lái)達(dá)到理想的高溫，是物料在從等離子槍內(nèi)射出并通過(guò)等離子焰時(shí)熔融或部分熔融甚至有極少部分氣化，最終在基體上成膜的一種表面保護(hù)加工技術(shù)。等離子熔射技術(shù)的缺點(diǎn)是，在大氣中熔射時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的氧化以及涂層組織的致密度不高等問(wèn)題。對(duì)于一些有高品質(zhì)要求的涂層，一般使用減壓等離子熔射法。
三、現(xiàn)今梯度功能復(fù)合材料的應(yīng)用方向
1.機(jī)械工程
由于采用超硬度梯度材料制成的切削工具具有芯部韌性優(yōu)良并且表面耐磨性好的特點(diǎn)，其耐磨性和使用壽命大大提高。由于大口徑火炮、航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、汽輪機(jī)葉片以及汽缸體對(duì)耐磨性、耐腐蝕性能以及耐熱性能要求具非常高，這些部件也常常采用梯度涂層材料制造
2.電磁工程
梯度復(fù)合材料在電磁工程領(lǐng)域發(fā)展分支主要包括梯度導(dǎo)電和絕緣材料、梯度壓電材料和梯度軟磁硅鋼材料。梯度復(fù)合材料在電磁工程領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)了更低的剩磁率、瞬間大電流效應(yīng)的減少抑制、質(zhì)量和體積的減少和綜合性能的提高。目前梯度復(fù)合材料在該行業(yè)處于平穩(wěn)（未完，下一頁(yè)）
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