梯度功能材料,梯度功能材料能否用粉末冶金技术获得

('梯度功能材料State:1.此文在是从中英文文献中的“简单总结”，没列出相应的参考文献2.是为允诺一位朋友而做，也可以算作自己的读书小笔记，仅此而已背景梯度功能材料(FunctionallyGradientMaterials,简称FGM)是由于航空航天技术的发展而提出的新概念。航天飞机在大气层中长时间飞行,机头尖端和发动机燃烧室内壁的温度高达2100K以上,因此材料必须承受很大的高温以及内外的温度差别,服役的环境很恶劣。1984年,日本学者MasyuhiNINO，ToshioHIRA，和RyuzoWATANBE等人首先提出了FGM的概念,其设计思想一是采用耐热性及隔热性的陶瓷材料以适应几千度高温气体的环境,二是采用热传导和机械强度高的金属材料,通过控制材料的组成、组织和显微气孔率,使之沿厚度方向连续变化,即可得到陶瓷金属的FGM。所谓梯度功能材料（FGM）,即在材料制备过程中,使组成、结构及孔隙率等要素在材料的某个方向上连续变化或阶梯变化,从而使材料的性质和功能也呈连续变化或阶梯变化的一种非均质复合材料。功能梯度材料的研究开发最早始于1987年日本科学技术厅的一项“关于开发缓和热应力的功能梯度材料的基础技术研究”计划。该项目于1992年完成，随后将工作重心转向模拟件的试制及其在超高温、高温度梯度落差及高温燃气高速冲刷等条件下的实际性能测试评价上,并于1993年开始研究具有梯度结构的能量转换材料。第一届国际FGM研讨会于1990年在日本仙台召开,之后每两年举办一届。中国于2002年在北京主办过第七届FGM国际研讨会。特点功能梯度材料的关键特点是控制界面的成分和组织连续变化，使材料的热应力大为缓和。从材料的组成方式看，功能梯度材料可分为金属/陶瓷、金属/非金属、陶瓷/陶瓷、陶瓷/非金属和非金属/聚合物等多种结合方式。从组成变化可划分为：功能梯度整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），功能梯度涂覆型（在基体材料上形成组成渐变的涂层）和功能梯度连接型（粘结两个基体间的接缝呈梯度变化）。FGM的研究一般由材料设计、材料合成和材料特性评价三部分组成.材料设计FGM的设计一般采用逆设计系统。即根据实际使用要求,对材料的组成和结构梯度分布进行设计。它主要通过计算机辅助设计系统,根据所要设计的物体的形状和工作要求,选择可能的成分组合体系和制备方法,然后根据材料的物性参数和梯度成分的分布函数进行温度分布和热应力计算,寻求出应力强度比达到最小值的成分组合体系和梯度分布．材料合成1.粉末冶金法粉末冶金法是先将金属、陶瓷、晶须等颗粒状原料按设计的梯度分布方式积层排列,成型，然后经压实、烧结而成的功能梯度材料。按烧结工艺的不同可以分为固相烧结和液相烧结；按成型工艺可分为直接填充法、喷射积层法、离心积层法等.2.等离子喷涂法这种方法是将原料粉末送至等离子射流中,用等离子所产生的高温、超高速热源，把原料粉末以熔融状态喷射到基材表面上形成涂层.喷射过程中，通过改变原料粉末的组分，调节等离子射流的温度和流速，可以在基材表面获得功能梯度涂层．3.自蔓延燃烧高温合成法自蔓延燃烧高温合成法是通过加热原料粉末局部区域激发引燃反应,反应放出的大量热量依次诱发临近层的化学反应,从而使反应自动持续的蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材.4.气相沉积法气相沉积法是根据沉积过程中沉积粒子的来源不同可以分为化学气相沉积法(CVD法)和物理气相沉积法(PVD法).CVD是将不同的气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反应产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化．PVD是利用热蒸发、溅射或辉光放电、弧光放电等物理过程,使金属加热蒸发沉积在衬底上进行涂层的方法,所引入的气体与沉积的金属原子反应形成混合物,通过控制其浓度随时间的变化,可以产生从金属到化合物的浓度梯度．5.激光融覆法激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的梯度膜．6.离心铸造法离心铸造法是利用铸型旋转产生的离心力使溶液中密度不同的增强体和基体合金分离至内层或外层,使凝固后的成分组织呈现一种或多种成分梯度变化的工艺方法.通过改变转速、颗粒大小、加工时间、温度和密度来控制成分的梯度分布.7.电沉积法电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度得到FGM膜或材料.8.形变与马氏体相变通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和应变量增加而增加,因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发的马氏体体积分数梯度.特性评价梯度功能材料由于组成和性能与传统材料具有很大的差异,因而不能采用常规的测试方法来评价其性能。目前对FGM的特性没有统一尺度,日本、美国正致力于制订统一标准的研究。热疲劳特性评价可通过梯度材料在一定温度下热传导系数随热循环次数的变化来进行．隔热性能是通过模拟实际环境进行试验,测定材料在不同热负荷下的导热系数来加以评价．热冲击性能通常是通过激光加热法和声发射探测法共同来确定的．超高温机械强度的评价是在2000K以上的温度下,测定梯度材料的破坏强度,并建立相应标准．应用FGM的最直接应用就是航天飞行器的热障型梯度材料．具有一侧耐热隔热及抗氧化（陶瓷），另一侧高导热及韧性优良（金属）的特性。这种隔热耐磨韧性好的梯度材料（或覆层）在机械工程中的应用十分广阔。另一个有前途的应用领域是能源，如热电转换装置，固体燃料电池、太阳能电池等。目前对热电转换材料的研究最多。其次，在光电，电磁，以及生物相容性领域都有着潜在的应用．',)