梯度功能材料课件

现代新型材料与纳米材料现代新型材料与纳米材料 New Materials and Nanometer-Materials（6）材料科学与工程学院材料科学与工程学院刘颖教授主讲刘颖教授主讲1现代新型材料与纳米材料 New Materials and2第六讲第六讲 梯度功能材料梯度功能材料 Gradient Function Materials 2第六讲 梯度功能材料 Gradient Function 3 主要内容主要内容梯度功能材料的发展梯度功能材料的发展梯度功能材料的原理及特点梯度功能材料的原理及特点梯度功能材料的制备梯度功能材料的制备梯度功能材料的应用梯度功能材料的应用3 主要内容4许许多多结结构构件件会会遇遇到到各各种种服服役役条条件件，因因此此要要求求材材料料的的性性能能应应随随构件位置不同而不同构件位置不同而不同。刀刀具具只只需需刃刃部部坚坚硬硬，其其它它部部位位需需要具有高强度和韧性；要具有高强度和韧性；齿齿轮轮轮轮体体必必须须有有好好的的韧韧性性，表表面面必须坚硬和耐磨；必须坚硬和耐磨；涡涡轮轮叶叶片片的的主主体体必必须须具具有有高高强强度度、高高韧韧性性和和抗抗蠕蠕变变，而而它它的的外外表表面面必须耐热和抗氧化。必须耐热和抗氧化。诸诸如如此此类类，工工程程应应用用的的许许多多材材料都属于这个范畴。料都属于这个范畴。中国刀中国刀涡轮叶片涡轮叶片4许多结构件会遇到各种服役条件，因此要求材料的性能应随构件位5构构件件中中材材料料成成分分和和性性能能的的突突然然变变化化常常常常会会导导致致明明显显的的局局部部应应力力集集中中。如如果果一一种种材材料料过过渡渡到到另另一一种种材材料料是是逐逐步进行的，这些应力集中就会大大地降低。步进行的，这些应力集中就会大大地降低。为为减减少少材材料料的的应应力力集集中中，提提高高材材料料性性能能，人人们们发发展展了了新型的新型的功能梯度材料功能梯度材料(简称简称FGM)。日日本本、美美国国、德德国国、俄俄罗罗斯斯、英英国国、法法国国、瑞瑞士士等等许许多多国国家家都都开开展展FGM的的研研究究，其其应应用用已已扩扩展展到到宇宇航航、能能源、交通、光学、化学、生物医学工程等各领域。源、交通、光学、化学、生物医学工程等各领域。航天工业航天工业交通工业交通工业化工工业化工工业5构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集中6梯度功能材料的发展梯度功能材料的发展 6梯度功能材料的发展 7梯梯度度功功能能材材料料是是一一种种集集各各种种组组分分(如如金金属属、陶陶瓷瓷、纤纤维维、聚聚合合物物等等)于于一一体体的的新新型型材材料料，其其微微观观结结构构和和物物理理、化化学学、生生物物等等单单一一或或综综合合性性能能都都呈呈连连续续变化变化，以适应不同环境，以适应不同环境，实现某一特殊功能实现某一特殊功能。梯度功能材料制备的耐磨轴承，外表为陶瓷，梯度功能材料制备的耐磨轴承，外表为陶瓷，内表面为金属内表面为金属7梯度功能材料是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚合物等8梯度功能材料早就出现在自然界中。梯度功能材料早就出现在自然界中。竹竹子子是是一一种种典典型型的的梯梯度度功功能能材材料料，人人类类和和动动物物身身体体中中的的骨骨骼骼也也是是一一种种梯梯度度材材料料，其其特特点点是是结结构构中中的的最最强强单单元元承受最高的应力承受最高的应力。生生物物的的梯梯度度结结构构与与人人造造梯梯度度结结构构之之间间存存在在很很大大差差异异。有有生生命命的的FGMs是是“有有智智能能的的”，它它们们能能感感受受所所处处环环境境的的变变化化(包包括括局局部部应应力力集集中中)，产产生生相相应应的的结结构构修修改改，而而人人造梯度材料至少在目前还缺乏这种功能。造梯度材料至少在目前还缺乏这种功能。竹子竹子竹节中纤维素含量变化竹节中纤维素含量变化8梯度功能材料早就出现在自然界中。竹子竹节中纤维素含量变化9人体长骨结构示意图人体长骨结构示意图9人体长骨结构示意图10人造梯度功能材料也不是新事物。人造梯度功能材料也不是新事物。越王勾践剑深埋地下越王勾践剑深埋地下2400多年，多年，1965年出土时依旧寒光逼人，锋利无比。年出土时依旧寒光逼人，锋利无比。剑的主要成分是铜、锡及少量铝、铁、镍、硫。剑的主要成分是铜、锡及少量铝、铁、镍、硫。剑的各部位铜和锡的比例不一，形成良好的成分梯度。剑的各部位铜和锡的比例不一，形成良好的成分梯度。剑剑脊含铜较多，韧性好，不易折断；剑刃含锡高，硬度大，脊含铜较多，韧性好，不易折断；剑刃含锡高，硬度大，非常锋利；护手花纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀。非常锋利；护手花纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀。10人造梯度功能材料也不是新事物。越王勾践剑深埋地下2400111900年年，美美国国用用明明胶胶作作成成光光折折射射率率沿沿径径向向连连续续变变化化的的圆圆柱柱棒棒，称称为为梯梯度度折折射射材材料料。由由于于制制作作工工艺艺没没有有解解决决，未未能得到实际应用。能得到实际应用。1969年年，日日本本板板玻玻璃璃公公司司的的北北野野等等人人制制成成梯梯度度折折射射棒棒材材和和光光纤纤，达达到到了了实实用用水水平平，梯梯度度折折射射率率材材料料的的研研究究迅迅速速发展起来。发展起来。中国剑中国剑梯度折射玻璃梯度折射玻璃111900年，美国用明胶作成光折射率沿径向连续变化的圆柱棒12功功能能梯梯度度材材料料作作为为一一个个规规范范化化正正式式概概念念，于于1984年年由日本国立宇航实验室提出。由日本国立宇航实验室提出。航航天天飞飞机机中中，燃燃烧烧室室内内外外表表面面温温差差达达到到1000K以以上上，普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。航天飞机飞行时预想的表面温度航天飞机飞行时预想的表面温度12功能梯度材料作为一个规范化正式概念，于1984年由日本国131987年年，日日本本平平井井敏敏雄雄、新新野野正正之之和和渡渡边边龙龙三三人人提提出出使使金金属属/陶陶瓷瓷复复合合材材料料的的组组分分、结结构构和和性性能能呈呈连连续续变变化化的的热防护梯度功能材料热防护梯度功能材料的概念。的概念。1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。热防护梯度热防护梯度梯度复合管梯度复合管131987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出使金属141993年年，美美国国国国家家标标准准技技术术研研究究所所开开始始以以开开发发超超高高温温耐耐氧化保护涂层为目标的大型梯度功能材料研究。氧化保护涂层为目标的大型梯度功能材料研究。1995年年德德国国发发起起一一项项六六年年国国家家协协调调计计划划，主主要要研研究究功功能能梯度材料的制备。梯度材料的制备。最最近近，通通过过改改变变复复合合两两相相的的配配制制，在在复复合合材材料料内内部部形形成成精细的构造梯度精细的构造梯度(将预先存在的不同相进行人为组合将预先存在的不同相进行人为组合)。功功能能梯梯度度材材料料已已发发展展为为当当前前结结构构材材料料和和功功能能材材料料研研究究领领域中的重要主题之一。域中的重要主题之一。摩擦温升后，梯度材料变化较摩擦温升后，梯度材料变化较小，普通材料则变成兰紫色小，普通材料则变成兰紫色141993年，美国国家标准技术研究所开始以开发超高温耐氧化15梯度功能材料的原理及特点梯度功能材料的原理及特点 15梯度功能材料的原理及特点 16梯度功能材料由几种性质不同的材料组成，但梯度功能材料由几种性质不同的材料组成，但与复与复合材料之间有明显区别合材料之间有明显区别。材料材料复合材料复合材料梯度材料梯度材料设计思想设计思想材料优点的相互材料优点的相互复合复合特殊功能为目标特殊功能为目标结合方式结合方式化学键化学键/物理键物理键分子间力分子间力/化学键化学键/物物理键理键微观组织微观组织界面处非均质界面处非均质均质均质/非均质非均质宏观组织宏观组织均质均质非均质（连续变化）非均质（连续变化）功能功能一致一致 梯度化梯度化梯度功能材料与复合材料比较梯度功能材料与复合材料比较16梯度功能材料由几种性质不同的材料组成，但与复合材料之间有17梯梯度度功功能能材材料料主主要要通通过过连连续续控控制制材材料料的的微微观观要要素素(包包括括组组成成、结结构构)，使使界界面面的的成成分分和和组组织织呈呈连连续续性性变化，主要特征有：变化，主要特征有：材料的组分和结构呈材料的组分和结构呈连续性连续性梯度变化；梯度变化；材料内部材料内部没有没有明显的界面；明显的界面；材料的性质也呈材料的性质也呈连续性连续性梯度变化梯度变化。ZrO2-CrNi合金合金FGM横横截面，白色的陶瓷粉末与截面，白色的陶瓷粉末与黑色的合金粉末含量呈连黑色的合金粉末含量呈连续性梯度变化，没有明显续性梯度变化，没有明显的界面，的界面，17梯度功能材料主要通过连续控制材料的微观要素(包括组成、结18金金属属-陶陶瓷瓷构构成成的的热热应应力力缓缓和和梯梯度度功功能能材材料料，对对高高温温侧侧壁壁采采用用耐耐热热性性好好的的陶陶瓷瓷材材料料，低低温温侧侧壁壁使使用用导导热和强度好的金属材料。热和强度好的金属材料。材材料料从从陶陶瓷瓷过过渡渡到到金金属属的的过过程程中中，耐耐热热性性逐逐渐渐降降低低，机机械强度逐渐升高。械强度逐渐升高。热热应应力力在在材材料料两两端端均均很很小小，在在材材料料中中部部过过渡渡区区达达到到峰峰值值(比突变界面的应力峰值小得多比突变界面的应力峰值小得多)，具有缓和热应力的功能。具有缓和热应力的功能。金属和陶瓷构成的材料特性金属和陶瓷构成的材料特性(a)无梯度；无梯度；(b)有梯度有梯度18金属-陶瓷构成的热应力缓和梯度功能材料，对高温侧壁采用耐19不锈钢陶瓷不锈钢陶瓷(Si3N4)界面上应力分布界面上应力分布 (单位：单位：1/100MPa)（a）无梯度；（）无梯度；（b）有梯度）有梯度 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：成分突变会导致应力集中成分突变会导致应力集中成分逐步过渡，应力集中成分逐步过渡，应力集中大大降低，有梯度时集中大大降低，有梯度时集中区压应力仅为无梯度时的区压应力仅为无梯度时的1/3-1/4无梯度样品冷却时开裂，无梯度样品冷却时开裂，有梯度样品有近有梯度样品有近400MPa结合强度结合强度19不锈钢陶瓷(Si3N4)界面上应力分布比较发现：20与与突突变变界界面面相相比比，梯梯度度材材料料可可在在成成分分中中引引入入连连续续的的或或逐逐级级的的梯梯度度来来提提高高不不同同固固体体(如如金金属属和和陶陶瓷瓷)之之间间的的界界面面结结合合强强度度，抑抑制制应应力力集集中中，推推迟迟塑塑性性屈屈服服和和失效的发生；失效的发生；热热防防护护梯梯度度功功能能材材料料正正是是利利用用其其成成分分和和结结构构的的连连续续变变化化来来避避免免热热应应力力集集中中所所造造成成的的界界面面脱脱落落和和开开裂裂，防止材料的失效。防止材料的失效。20与突变界面相比，梯度材料可在成分中引入连续的或逐级的梯度21梯度功能材料的制备方法梯度功能材料的制备方法 21梯度功能材料的制备方法 22梯梯度度功功能能材材料料的的制制备备技技术术和和方方法法，综综合合了了超超细细、超超微微细细粉粉、均均质质或或非非均均质质复复合合材材树树等等微微观观结结构构控控制技术和生产技术。制技术和生产技术。化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)物理蒸镀法物理蒸镀法(PVD)等离子喷涂法等离子喷涂法(PS)自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法(SHS)粉末冶金法粉末冶金法激光熔覆法激光熔覆法化学气相渗透法化学气相渗透法(CVI)电解析出法等电解析出法等22梯度功能材料的制备技术和方法，综合了超细、超微细粉、均质23化学气相沉积法化学气相沉积法两两种种气气相相物物质质在在反反应应器器中中均均匀匀混混合合，在在一一定定条条件件下下发发生生化化学学反反应应，使使生生成成的的固固相相物物质质在在基基板板上上沉沉积积以以制制备备FGM的方法。的方法。CVD法法可可通通过过选选择择合合成成温温度度、调调节节原原料料气气流流量量和和压压力力等等来来控控制制FGM各各组组元元的的成成分分和和结结构构，而而且且可可镀镀复复杂杂形形状状的的表表面面；沉沉积积面面光光滑滑致致密密，沉沉积积率率高高，成成为为制制备备复复杂结构的杂结构的FGM涂层关键技术之一。涂层关键技术之一。CVDCVD工艺原理图工艺原理图23化学气相沉积法两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定条件24将将含含金金属属/非非金金属属卤卤化化物物的的原原料料气气体体进进行行均均匀匀混混合合，在一定条件下发生反应，使生成物沉积在基板上。在一定条件下发生反应，使生成物沉积在基板上。目目前前，己己用用CVD法法制制备备出出厚厚度度为为0.4-2mm的的SiC/C、TiC/C、SiC/TiC、Al/C系系FGM。化学沉积系统化学沉积系统化学沉积立方化学沉积立方ZrO2/C梯度材料梯度材料24将含金属/非金属卤化物的原料气体进行均匀混合，在一定条件25物理蒸镀法物理蒸镀法PVD法法是是通通过过物物理理法法使使源源物物质质加加热热蒸蒸发发，进进而而在在基基板上沉积成膜的一种制备材料的方法。板上沉积成膜的一种制备材料的方法。PVD法可制备多层不同物质的膜法可制备多层不同物质的膜；PVD法法得得到到的的膜膜较较薄薄，每每层层膜膜是是单单纯纯某某物物系系，常常和和CVD法结合使用；法结合使用；目目前前已已制制出出TiC/Ti、TiN/Ti、CrN/Cr、TiAlN/Ti和和SiC/C/TiN等多层梯度功能材料。等多层梯度功能材料。PVD镀膜器件镀膜器件25物理蒸镀法PVD法是通过物理法使源物质加热蒸发，进而在基26等离子喷涂法等离子喷涂法等等离离子子体体喷喷涂涂能能同同时时熔熔化化难难熔熔相相和和金金属属，通通过过控控制制两种粉末的相对供给速率两种粉末的相对供给速率来预先设置混合比率。来预先设置混合比率。使使用用粉粉末末作作为为喷喷涂涂材材料料，以以氦氦气气、氩氩气气等等气气体体为为载载体体，吹吹入入高高温温等等离离子子体体射射流流。等等离离子子体体射射流流把把能能量量传传递递给给颗颗粒粒，粉粉末末被被熔熔融融后后进进一一步步加加速速，高高速速冲冲撞撞在基材表面形成涂层。在基材表面形成涂层。等离子喷涂等离子喷涂26等离子喷涂法等离子体喷涂能同时熔化难熔相和金属，通过控制27等离子喷涂适合形状复杂表面的梯度涂覆加工。等离子喷涂适合形状复杂表面的梯度涂覆加工。在在基基板板上上喷喷涂涂单单层层NiCr合合金金粉粉末末；再再用用10%ZrO2粉粉和和90NiCr合合金金粉粉末末喷喷涂涂；在在配配料料中中逐逐步步减减少少合合金金粉粉末末；最最后后用用100ZrO2粉粉末末喷喷涂涂，此此技技术术已已用用于于飞飞机机喷喷气气发发动动机机和和相相关关材材料料的的表表面面改改性性，材材料料表表面面能能承承受受1100-1300的的高高温温，内内外外侧侧温温差差达达到到500-600。日日本本采采用用等等离离子子喷喷涂涂技技术术喷喷涂涂ZrO2/Y2O陶陶瓷瓷粉粉末末和和Ni-Cr-Al-Y合合金金粉粉末末，形形成成梯梯度度涂涂层层，明明显显提提高高基体金属的隔热性和耐热疲劳性。基体金属的隔热性和耐热疲劳性。27等离子喷涂适合形状复杂表面的梯度涂覆加工。28自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法利利用用粉粉末末混混合合物物化化学学反反应应产产生生的的热热量量和和反反应应自自传传播播性性，通通过过初初始始反反应应物物浓浓度度分分布布的的空空间间变变化化，使使材材料料燃燃烧烧和和合成来制备合成来制备FGM的方法称为的方法称为自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法。该该法法的的特特点点是是利利用用放放热热反反应应的的能能量量使使化化学学反反应应自自动动持持续续下下去去，操操作作简简单单，反反应应迅迅速速，最最适适合合于于生生成成热热大大的的化合物的合成如化合物的合成如AlN、TiC、TiB2等。等。自蔓延高温合成自蔓延高温合成自蔓延合成材料自蔓延合成材料28自蔓延高温合成法利用粉末混合物化学反应产生的热量和反应自29燃燃烧烧合合成成FGM中中，整整体体的的宏宏观观梯梯度度通通常常被被保保留留在在样样品品中中，局局部部发发现现在在FGM内内部部存存在在有有限限的的物物质质传传输输，这这种种传传输输使使初初始始存存在在于于反反应应物物粉粉末末压压块块中中的的较较陡峭的成分分布在反应后被较平缓的梯度所代替。陡峭的成分分布在反应后被较平缓的梯度所代替。日日本本采采用用连连续续成成型型的的电电磁磁加加压压自自蔓蔓延延技技术术合合成成TiB2/Cu、TiC/Ni等梯度功能材料。等梯度功能材料。我我国国采采用用爆爆炸炸压压实实自自蔓蔓延延高高温温合合成成技技术术制制备备了了Al2O3/Ti系系梯梯度度功功能能材材料料，组组织织结结构构呈呈梯梯度度变变化化，理论密度提高到理论密度提高到94%，显微硬度，显微硬度Hv达到达到461.8。29燃烧合成FGM中，整体的宏观梯度通常被保留在样品中，局部30颗粒梯度排列法颗粒梯度排列法将金属、陶瓷等粉末将金属、陶瓷等粉末按一定按一定梯度分布直接填充到模具中梯度分布直接填充到模具中加压烧结加压烧结；也可将不同组分；也可将不同组分粉末压成薄膜粉末压成薄膜/片后进行叠片后进行叠层烧结。层烧结。控制各组分混合比，使粉坯控制各组分混合比，使粉坯梯度层间任一组分浓度变化梯度层间任一组分浓度变化较小，梯度层间接合紧密。较小，梯度层间接合紧密。调节粉末粒度分布和烧结工调节粉末粒度分布和烧结工艺，可得具有良好热应力缓艺，可得具有良好热应力缓和的梯度功能材料。和的梯度功能材料。通过粉末混合烧结形成的通过粉末混合烧结形成的FGMFGM结构示意图结构示意图30颗粒梯度排列法将金属、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到31日本东北大学采用金属颗粒层日本东北大学采用金属颗粒层-中间过渡颗粒层中间过渡颗粒层-陶陶瓷颗粒层的梯度模型，耐高温一侧采用氧化物、氮瓷颗粒层的梯度模型，耐高温一侧采用氧化物、氮化物和碳化物耐热陶瓷颗粒，在低温侧采用比强度化物和碳化物耐热陶瓷颗粒，在低温侧采用比强度高的高的Al、Ti合金颗粒或导热性好的合金颗粒或导热性好的Cu、Ni、Co等等颗粒，中间层为金属和陶瓷颗粒，其组成浓度按一颗粒，中间层为金属和陶瓷颗粒，其组成浓度按一定梯度分布调制。定梯度分布调制。由于中间层的存在，缓和了热应力，解决了金属和由于中间层的存在，缓和了热应力，解决了金属和陶瓷结合不牢和易开裂的问题。陶瓷结合不牢和易开裂的问题。31日本东北大学采用金属颗粒层-中间过渡颗粒层-陶瓷颗粒层的32激光熔覆激光熔覆把把材材料料A放放到到基基底底B表表面面上上，用用激激光光将将其其与与B基基体体中中表面薄层一起熔化，在表面薄层一起熔化，在B表面形成表面形成B合金化的合金化的A层。层。重复操作，在重复操作，在B表面产生表面产生B含量逐渐减少的梯度。含量逐渐减少的梯度。梯梯度度变变化化可可通通过过控控制制初初始始A层层的的数数量量、厚厚度度及及熔熔区区深深度来获得。度来获得。激光熔覆将材料激光熔覆将材料A A合金化到材料合金化到材料B B制备制备FGMFGM示意图示意图32激光熔覆把材料A放到基底B表面上，用激光将其与B基体中表33梯度功能材料的应用梯度功能材料的应用33梯度功能材料的应用34航天工业航天工业航航天天飞飞机机在在往往返返大大气气层层的的过过程程中中，机机头头前前端端和和机机翼翼前沿服役温度约前沿服役温度约2000K，冷表面的温度低于，冷表面的温度低于1000K。把把直直径径为为11.5 m的的高高纯纯石石英英纤纤维维加加压压成成型型，1290烧烧成成后后再再按按要要求求切切成成外外形形不不同同、大大小小不不等等的的“砖砖块块”，粘粘贴贴到到航航天天飞飞机机蒙蒙皮皮上上。这这种种复复合合材材料料防热系统的重复使用性、可靠性等存在较大问题。防热系统的重复使用性、可靠性等存在较大问题。发现号航天飞机的陶瓷热防护瓦发现号航天飞机的陶瓷热防护瓦34航天工业航天飞机在往返大气层的过程中，机头前端和机翼前沿352003年年2月月，“哥哥伦伦比比亚亚”号号航航天天飞飞机机爆爆炸炸，原原因因就就是是航航天天飞飞机机的的左左翼翼在在起起飞飞时时遭遭到到从从燃燃料料箱箱上上脱脱落落的的泡泡沫沫绝绝缘缘材材料料的的撞撞击击，造造成成机机体体表表面面隔隔热热保保护护层层出出现现大大面面积积松松动动和和破破损损，形形成成可可让让“热热气气进进入入的的空空洞洞”，返航途中因超高温空气的进入而彻底解体。，返航途中因超高温空气的进入而彻底解体。起飞时燃料箱上的脱落物击中机翼起飞时燃料箱上的脱落物击中机翼飞机的左翼上有两条清晰的裂纹飞机的左翼上有两条清晰的裂纹 352003年2月，“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因就是航天36按按照照基基体体/陶陶瓷瓷比比率率设设计计具具有有梯梯度度的的金金属属基基/碳碳基基复合结构可解决上述问题。复合结构可解决上述问题。设计梯度热防护功能材料设计梯度热防护功能材料36按照基体/陶瓷比率设计具有梯度的金属基/碳基复合结构可解37日日本本开开发发了了为为小小动动力力火火箭箭燃燃烧烧器器和和热热遮遮蔽蔽材材料料用用的的梯梯 度度 功功 能能 材材 料料，目目 前前 已已 研研 制制 出出 能能 耐耐 1700的的ZrO2/Ni梯梯度度功功能能材材料料，用用作作马马赫赫数数大大于于20的的并并可可重重复使用的航天飞机机身材料。复使用的航天飞机机身材料。空空天天飞飞机机高高速速飞飞行行时时机机身身和和机机翼翼的的温温度度也也高高达达上上千千K，必须采用热防护梯度材料解决热应力问题。，必须采用热防护梯度材料解决热应力问题。梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。空天飞机空天飞机火箭燃烧室火箭燃烧室37日本开发了为小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的梯度功能材料382011年年3月月5日，美军研制的第二架日，美军研制的第二架X-37B空天飞机空天飞机发射升空发射升空-帮助美军实现帮助美军实现“两小时内攻击地球上任两小时内攻击地球上任意目标的快速全球打击意目标的快速全球打击”的战略构想，有可能成为的战略构想，有可能成为美在后核武时代的撒手锏，确保美在核裁军中的国美在后核武时代的撒手锏，确保美在核裁军中的国家安全以及在常规武器上的绝对优势。家安全以及在常规武器上的绝对优势。2010年年12月返回的第一月返回的第一架架X-37b美军空天飞机美军空天飞机2011年已发射的第二年已发射的第二架架X-37b空天飞机空天飞机英国英国Hotol空天飞机研空天飞机研制计划制计划-“云霄塔云霄塔”无人无人空天飞机构想图空天飞机构想图382011年3月5日，美军研制的第二架X-37B空天飞机发392011年年6月月20日，欧洲宇航日，欧洲宇航防务集团宣布将打造世界上防务集团宣布将打造世界上首架首架“零排放超音速飞机零排放超音速飞机”，设计时速高达，设计时速高达3000英里，英里，从巴黎飞到东京只需从巴黎飞到东京只需2.5小时，小时，起飞时先用普通的起飞时先用普通的生物燃油生物燃油发动机推进，爬到一定高度发动机推进，爬到一定高度后改由使用后改由使用氢气和氧气氢气和氧气的火的火箭发动机推动，巡航高度可箭发动机推动，巡航高度可达达32公里。公里。392011年6月20日，欧洲宇航防务集团宣布将打造世界上首40在在舰舰船船甲甲板板上上可可采采用用含含抗抗热热障障、抗抗摩摩擦擦或或抗抗冲冲击击的的梯梯度度功功能能材材料料涂涂层层，或或设设计计连连续续增增强强纤纤维维排排列列的的逐逐级级梯梯度度，显显著著提提高高其其缺缺口口阻阻力力，抑抑制制微微观观裂裂纹纹扩扩张张，大大幅幅改改善善甲甲板板的的抗抗高高速速应应变变和和冲冲击击的的能能力力，对对舰舰船船的防护及搭载飞行器具有重要意义。的防护及搭载飞行器具有重要意义。航空母舰甲板航空母舰甲板船舶工业船舶工业40在舰船甲板上可采用含抗热障、抗摩擦或抗冲击的梯度功能材料41为为对对柴柴油油机机或或汽汽油油机机活活塞塞头头进进行行热热保保护护，需需在在钢钢基基底底上上喷喷涂涂厚厚度度大大于于2mm的的ZrO2涂涂层层。如如果果直直接接在在金金属属上覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。上覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。通通过过覆覆盖盖一一些些陶陶瓷瓷含含量量不不断断增增加加的的金金属属-陶陶瓷瓷复复合合梯梯度度涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。柴油机活塞头柴油机活塞头汽油机活塞头汽油机活塞头汽车工业汽车工业41为对柴油机或汽油机活塞头进行热保护，需在钢基底上喷涂厚度42能源工业能源工业核核反反应应堆堆内内壁壁温温度度高高达达数数千千K，其其内内壁壁材材料料采采用用单单纯纯双双层层结结构构，热热传传导导不不好好，孔孔洞洞较较多多，热热应应力力下下有有剥剥离离倾向。倾向。采采用用金金属属/陶陶瓷瓷结结合合的的梯梯度度材材料料，能能消消除除热热传传递递及及热热膨膨胀胀引引起起的的应应力力，解解决决界界面面问问题题，可可替替代代目目前前不不锈锈钢钢/陶瓷复合材料。陶瓷复合材料。核反应堆核反应堆42能源工业核反应堆内壁温度高达数千K，其内壁材料采用单纯双43光学器件工业光学器件工业梯梯度度功功能能材材料料推推动动一一个个新新的的光光学学分分支支-梯梯度度折折射射率率光光学学的的形形成成，在光学器件中有大量应用。在光学器件中有大量应用。梯梯度度折折射射率率透透镜镜体体积积小小、焦焦距距短短、消消像像差差性性好好，组组成成的的光光学学系系统统可可大大大大减减少少非非球球面面组组件件数数，简化光学器件结构简化光学器件结构。梯梯度度折折射射率率光光纤纤可可以以自自聚聚焦焦，提高耦合效率。提高耦合效率。梯度折射透镜梯度折射透镜棒透镜棒透镜43光学器件工业梯度功能材料推动一个新的光学分支-梯度折射率44下表列出了梯度折射光学材料的一些应用例子。下表列出了梯度折射光学材料的一些应用例子。光学器件系统光学器件系统设计或应用的例子设计或应用的例子成像系统成像系统准直透镜、施密特校正镜、摄影透镜、显微镜、望远镜准直透镜、施密特校正镜、摄影透镜、显微镜、望远镜复印机系统复印机系统棒透镜系列棒透镜系列内窥镜系统内窥镜系统医用内窥镜医用内窥镜光通信系统光通信系统自聚焦光纤、连接器、分路器、光开关、光衰减器、自聚焦光纤、连接器、分路器、光开关、光衰减器、光波导器件、激光二极管光波导器件、激光二极管光盘系统光盘系统拾音透镜、拾像透镜拾音透镜、拾像透镜光计算机系统光计算机系统微型光学元件微型光学元件梯度折射率材料的应用梯度折射率材料的应用44下表列出了梯度折射光学材料的一些应用例子。光学器件系统设45生物医学工业生物医学工业羟羟基基磷磷灰灰石石(HA)陶陶瓷瓷和和钛钛或或Ti-6Al-4V合合金金组组成成的的梯梯废废功功能能材材料料可可作作为为仿仿生生人人工工关关节节和牙齿。和牙齿。HA是是生生物物相相容容性性优优良良的的生生物物活活性性陶陶瓷瓷，钛钛及及其其合合金金生生物物相容性也很好，强度高，相容性也很好，强度高，人人造造牙牙的的齿齿根根外外表表采采用用耐耐磨磨性性优优良良的的HA陶陶瓷瓷，内内部部采采用用可可承承受受较较大大变变形形的的钛钛或或Ti-6Al-4V合金。合金。梯度功能材料制成的梯度功能材料制成的人造牙人造牙45生物医学工业羟基磷灰石(HA)陶瓷和钛或Ti-6Al-446HA含含量量从从外外表表面面到到内内表表面面逐逐渐渐减减少少，形形成成HA-玻玻璃璃-钛功能梯度复合材料。钛功能梯度复合材料。烧烧结结后后特特别别适适于于植植入入人人体体，在在保保证证良良好好的的生生物物相相容容性性的的同同时时提提供供一一定定的的支支撑撑强强度度，还还可可以以显显著著提提高高牙牙齿的缺口阻力，抑制微观裂纹损伤齿的缺口阻力，抑制微观裂纹损伤。HA-HA-玻璃玻璃-钛功能梯度复合材料截面示意图钛功能梯度复合材料截面示意图46HA含量从外表面到内表面逐渐减少，形成HA-玻璃-钛功能47电子材料电子材料PZT压压电电陶陶瓷瓷广广泛泛用用于于制制造造超超声声波波振振子子、陶陶瓷瓷滤滤波波器器等等电电子子元元件件，但但其其在在温温度度稳稳定定性性和和失失真真振振荡荡方方面面存在一定问题。存在一定问题。通通过过调调整整材材料料组组成成，使使其其梯梯度度化化，就就能能使使压压电电系系数数和和温温度度系系数数等等得得到到最最恰恰当当的的分分配配，提提高高压压电电器器件件的的性能和寿命性能和寿命。压电陶瓷器件压电陶瓷器件47电子材料PZT压电陶瓷广泛用于制造超声波振子、陶瓷滤波器48梯梯度度功功能能材材料料是是一一种种设设计计思思想想新新颖颖、性性能能优优良良的的新新材材料料，将将FGM结结构构和和FGM化化技技术术与与智智能能材材料料系系统统有有机机地地结结合合起起来来，将将会会给给材材料料科科学学带带来来一一场场新新的革命。的革命。梯梯度度功功能能材材料料被被认认为为是是21世世纪纪材材料料科科学学的的一一个个重重要发展方向。要发展方向。48梯度功能材料是一种设计思想新颖、性能优良的新材料，将FG49谢谢大家！49谢谢大家！