功能梯度材料

功能梯度材料是一种新型复合材料，它的设计要求功能、性能随机件内部位置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。梯度功能材料由两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化。功能梯度材料是应现代航天航空工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的新型功能材料。

梯度功能材料的性能特征

功能梯度材料是一种材料到另一种材料呈连续变化的新型功能材料。功能梯度材料使用的原料可以是液相、气相或固相。原则上来说，只要能有效地控制和改变各成分含量和比例的工艺都可以作功能梯度材料的合成方法。

功能梯度材料在制备过程中，一般都是通过物理方法或者化学方法来达到所需的梯度。目前主要方法有化学气相沉积法(CVD)、物理蒸镀法(PVD)、等离子喷涂法(PS)、自蔓延高温合成法(SHS)、粉末冶金法、化学气相渗透法(CVI)、激光倾斜烧结法、电解析出法、等离子放电烧结法等。选择几种不同性质的材料，用相应的方法连续的控制材料的微观要素(包括组成、结构和空隙在内的形态与结构方式等)，从而制造出使材料在不同区域体现出不同功能的新型材料。如图 1 所示。

由于功能梯度材料的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:

1)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;

2)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;

3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;

4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

陶瓷－金属功能梯度材料的两面在性能上有很大的差异，同时这种成分或结构的变化是逐渐过渡的，可有效缓解材料两侧温差所引起的巨大应力，因此，它能够耐热冲击，且具有良好的机械强度。

梯度功能材料的类型

首先，现在功能梯度材料已经慢慢的越来越重要和流行，但是现在还没有对其具体专业的介绍，加之，此材料涉及到纳米材料，更是未来重要的新型材料。梯度功能材料的英文全拼有两种：

一是：functional　gradient　materials，是指材料的组成和结构从材料的某一方位一维二 维或者三维）向另一方位连续地变化，使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型的功能性材料．（黄敬东，吴俊，王银平，黄清安．武汉大学化学与分子科学学院，湖北武汉　430072）。

二是：functionally　graded　materials，简称（FGM）的概念是由日本新野正之与平井敏雄等学者于1987年首先提出的 [2]  ，它是指一类组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的非均质复合材料(王志, 李明玲,沈强,张联盟,武汉理工大学材料复合新技术国家ZD实验室，武汉 430070,济南大学材料科学与工程学院，济南 250022)

根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。

根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料；

根据其组成变化 FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）；

根据不同的梯度性质变化分为密度 FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等；

根据不同的应用领域有可分为耐热 FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等。

材料结构组成

从材料的结构角度来看，梯度功能材料与均一材料、复合材料不同。它是选用两种（或多种）性能不同的材料，通过连续地改变这两种（或多种）材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能材料。

关于FGM 的特点，可以从材料的组合方式来看，FGM可分为金属/合金，金属/ 非金属，非金属/陶瓷、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷等多种组合方式，因此可以获得多种特殊功能的材料。这是FGM的一大特点，FGM的特点也可以从材料的组成的变化来看，FGM可分为。

1）梯度功能连接型,即是粘接在两个基体间的接缝组成呈梯度变化。

2）梯度功能涂覆型，即在基体材料上形成组成渐变的涂层。

3）梯度功能整体型，即是材料的组成从一侧向另一侧呈梯度渐变的结构材料。因而，可以说FGM具有巨大的应用潜力，这是FGM的另一大特点。

梯度功能材料的设计研究现状及前景

FGM的研究由材料设计、材料合成和材料性能评价三个部分组成。

材料合成是FGM研究的核心，材料设计则是为FGM合成提供Z佳的组成和结构梯度分布，材料性能评价则是建立准确评价FGM性能的一整套标准化试验方法，依此标准对FGM进行测试并将测试结果及时反馈给材料设计部门．三者紧密相关，相辅相成。目前材料设计多数采用逆设计系统。

首先是按照对材料性能的要求和使用条件，然后查阅材料组成和构造的知识库，依据设计的基本理论，对材料的组成和结构的梯度分布进行设计。现时，一些新技术、新方法的应用给FGM的研究增添了无穷的活力。例如：计算机辅助设计专家系统对FGM进行模拟设计，文献已有详细地描述。

另外，用神经网络、有限元法，分形理论进行FGM 的研究。例如据报道了采用德国SIS公司的Anqlisis图象分析系统的)PRO 版本，测量了ZrO2/Ni系的梯度功能材料的水平面和垂直面的分形维数并初步建立了分形维数与宏观性能之间的关系。根据分形理论，可以用材料的微观结构来表征材料的宏观性能，即是分形维数定量表征梯度功能材料表面微观形貌及其与性能之间的关系。随着软件技术的发展，这一方法将变得更为准确、简捷。采用直接观察测试表面的分形特征用表面形貌来推断其力学性能，可以省去烦琐的性能测试，提GX率，降低成本。当然，用分形理论来研究FGM 的性能还有待FGM性能数据的累积和分析方法的完善。

功能梯度材料的应用

功能梯度材料因具有较高机械强度、抗热冲击、耐高温性能等特点，在航空航天工程、核工程、生物医学工程、电子工程、化学工程等诸多方面都有广泛的应用。列举了功能梯度材料在航空航天工程、核工程上的应用范围和材料的组合相。

在军事上，功能梯度材料已经不仅于隔热材料。例如，功能梯度材料已进入隐身材料行列。目前，各军事强国都逐渐增强战机、舰艇、导dan等武器系统的隐身能力，而相对单一结构的隐身材料来说，通常难以同时满足阻抗匹配和材料的声衰减性能好这两个条件。因此，鉴于功能梯度材料的特点，通常在设计消声覆盖层时都把它设计成带有阻抗渐变结构的梯度结构吸波材料。

航空航天热防护领域是Z先应用功能梯度材料的领域。例如，当航天飞机往返大气层，飞行速度超过马赫数 25 时，机头的前端和机翼的前沿处表面温度高达 2 000 ℃，以前采用的是以陶瓷为主的组合式复合材料热防护系统，除了无法重复使用性外，对于整个系统的可靠性也存在很大的问题，如经常发现航天飞机在太空时出现热防护块脱落的现象。金属陶瓷功能梯度材料可以像金属一样开孔连接或直接焊接，从而解决了这些问题。