功能梯度材料的制備及應用發展

馬文靜

（河北工程大學土木工程學院，河北 邯鄲 056038）

1 前言

功能梯度材料（ Functionally Gradient Material簡稱FGM）是一種全新的非均勻復合材料，與一般宏觀均質復合材料相比功能梯度材料從金屬到陶瓷無論是成分和顯微結構在每一處都是有控制地連續變化的，因而功能梯度材料的熱力學及熱彈性性能均很大程度上優于一般均質復合材料。

一、功能梯度材料產生背景及概念的提出

隨著當代科學技術領域對材料的要求逐年升高，曾近為主流的單質材料的性能和功能都難以滿足超高溫、超低溫和超高壓等特殊的環境條件的設計要求，這時將兩種或多種材料向結合從而達到性能和功能均呈連續梯度變化的要求的復合材料—功能梯度材料應運而生。

圖1～圖3均由兩種不同性質的材料構成；其從結構的一個表面到另一個表面組成是按一定規律連續變化的。

如圖1所示為兩種材料均勻搭配，其性質呈現均勻性，組分均質過渡。其彈性模量、熱膨脹系數、熱傳導系數值基本穩定。

如圖2所示材料的兩種組成基體存在明顯的異相突變界面，其兩側的物理性質、化學性能具有很大的差距，當料所承受的外界環境通常不均一時，高溫度載荷作用下層間易產生應力集中，出現脫層現像。

如圖3所示為兩種組分在其間的組成以及結構連續呈梯度變化，結構內沒有明顯的分界界面，這就使得材料的性質以及其物性參數均沿厚度方向也呈梯度變化，從而有效地緩解了熱應力，即功能梯度材料。

3 功能梯度材料的研究現狀

功能梯度材料通常應用于可靠性和安全性都非常重要的領域，如航空航天與核反應堆，因此為了保證其可靠度和安全性，功能梯度材料在熱荷載作用下熱應力分布規律是一個很值得關注的研究方向。

圖1 均質材料

圖2 復合材料

圖3 功能梯度材料

沈惠申討論了功能梯度復合材料板殼結構的彎曲、屈曲和震動問題。田建輝等人用混合數值法分析了功能梯度材料板中瞬態熱響應問題。許楊建等人用分離變量法研究了初始和邊界不同恒溫時二維梯度板瞬態溫度場問題。Masoud Asgari等人用有限元法研究了有限長度的2D-FGM圓筒在沖擊荷載作用下的動力問題。A. Allahverdizadeh等人用攝動法和周期性分析法對功能梯度板進行非線性分析。

4 功能梯度材料的應用范圍

（1）航空航天：主要用于航天飛機機體、發動機的燃燒室內壁以及飛機隱形，具有承受超高溫、高溫沖擊、高溫疲勞以及熱應力緩和吸聲等功能；

（2）機械工程：主要用于汽輪機的排氣門、軸承等承受超高溫部件，具有承受超高溫、強腐蝕、長期磨損的功能，具有極高強度、超強韌性好的特點；

（3）生物醫藥：主要用于人造骨骼、人造心臟、人造牙齒以及仿生物制品，而且和其他人造器官相比，其強度、模量、耐腐蝕性、耐疲勞性、耐磨性以及生物相容性均具有較高的優勢；

（4）其他方面：能源工程、核工程及民用及建筑等單一均質材料很難實現苛刻情況應用。

結語

事實證明，功能梯度材料的應用領域十分廣泛。迄今為止，不僅是在國內，即便從世界角度來看，功能梯度材料的研究與發展仍然處于實驗階段。有許多問題需要人們在今后的實踐中逐一予以解決。但可以相信，通過眾多研究人員的不懈努力，在不久的將來，功能梯度材料的發展及其在各個領域的應用和實踐必將產生難以估算的飛躍。

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