功能梯度材料制备工艺及研究进展

2012年4月

文章编号：1001-3997（2012）04-0265-03

机械设计与制造

MachineryDesign＆Manufacture

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功能梯度材料制备工艺及研究进展

刘华炜1刘学武2张广文1

（1中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，青岛266071）

（2大连理工大学化工机械学院，大连116012）

Researchprogressandpreparingtechnologyoffunctionallygradedmaterial

LIUHua-wei1，LIUXue-wu2，ZHANGGuang-wen1

（1ChinaPetroleumandChemicalCorporationQingdaoSafetyEngineringResearehInstitute，Qingdao266071，China）

（2Schoolofchemicalmachinery，DalianUniversityofTechnology，Dalian116012，China）

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀂

【摘要】功能梯度材料是由日本首先提出的一种新型复合材料，是指由不同性能的材料沿厚度方向连续变化，从而使材料的特性在空间上呈连续梯度变化的一种新型可设计材料，由于其结构和性能的优异特性，使其成为材料领域的研究热点之一。对功能梯度材料的概念及产生背景进行了综述，重点阐述了功能梯度材料的各种制备技术原理和特点，对国内外近十年来功能梯度材料的研究成果进行了介绍，并对功能梯度材料的发展趋势及前景作了展望，提出了功能梯度材料进一步发展的方向。

关键词：功能梯度材料；制备技术；研究成果；发展趋势【Abstract】Thefunctionallygradedmaterials（FGM）areanewtypeofcompositematerial，whichwasfirstmentionedbyJapan，itshowsacontinuouschangealongthicknessorientationwithdifferentperfor－mancematerial.Consequently，itsperformanceshowsacontinuousgradedchangetoo.Becauseofitsgoodstructureandperformancecharacteristic，ithasbecomeoneofthehotspotsofmaterialfield.Inthisarticletheconceptandbackgroundofthefunctionallygradedmaterialisexpounded，inwhichthecharacteristicsandprincipleofpreparativetechniqueoffunctionallygradedmaterialaremainlycommentedaswellastheresearchresultsofthefunctionallygradedmaterialinthisdecadeathomeandabroadareintroduced．Atthesametimethedevelopmenttendencyofthefunctionallygradedmaterialisalsoprospected，andthede－velopmentdirectionofthefunctionallygradedmaterialsisbroughtforward.

Keywords：Functionallygradedmaterial；Preparingtechnology；researchresults；Developmenttendency

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀂󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀂1引言

随着科学技术的发展和人类对未知领域的探索，材料使用环境越来越苛刻。近些年，随着物理、化学、计算机等学科的交叉渗透，材料制备领域逐渐引入了新理论方法及实验技术，同时实际应用的迫切需要对材料制备也提出了新的要求，因此新材料的研究与开发备受研究者关注。功能梯度材料（Functionallygradedmaterial，简称FGM）作为一种可设计材料，已成为材料制备领域研究热点之一，与传统的复合材料相比，梯度材料不仅提供了优异的抗断裂和耐热冲击性能，而且在超高温环境下具有优良的隔可设计性能、有效缓解材料内部热应力等各种特殊性能，热性能、

因此被认为是未来高速航天器、核工业和化学工业等领域的潜在材料，具有极其广阔的应用前景。

2FGM的研究现状

2.1FGM的概念及产生背景

20世纪80年代以来，随着航空航天工业快速发展，材料隔热性能成了最大问题，特殊服役环境使一般的匀质材料面临较大温度梯度的挑战，即便是陶瓷或金属复合制备的材料，由于两者

＊来稿日期：2011-06-20

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀂中图分类号：TH16，TB34

文献标识码：A

新的非均质复合材料。

满足不同部位对材料使用性能的要求。

的热膨胀系数差异，在高温使用时也会产生巨大热应力，导致在针对这种情况，日本材料表层出现菠萝或龟裂，从而使材料失效。一些科学家[1]于1987年首先提出了功能梯度材料的概念，解决了在设计制造新一代航天飞机热保护系统中所出现的一系列问题，研制开发出表面使用温度达2000K、表里温度相差约1000K的新型超耐热材料。显然，传统的复合材料和非均质涂层材料均不能满足上述要求，梯度材料正是为适应这种需要而提出的一种全

所谓功能梯度材料是根据使用要求，选择使用两种不同性能的材料，利用先进的复合技术，使中间组成和结构连续呈现梯度变化，由于内部不存在明显界面，可使材料性质和功能沿厚度方向呈梯度变化的一种新型复合材料。其特点是在传统的复合材料中加上材料含量配比成梯度变化的中间过渡层，从而使材料的物理性能呈渐变形式，这样可避免或缓解传统复合材料由于物性差异太大而在使用过程中所产生诸如应力集中、开裂及剥落等缺陷。梯度材料具有很好的可设计性，可以通过有针对性地改变各组分材料体积含量的空间分布，以达到优化结构内部应力分布、

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2.2FGM的制备技术2.2.1气相沉积法

刘华炜等：功能梯度材料制备工艺及研究进展第4期

原理是利用两种或多种反应物在一定条件下发生高放热反应产生高温，使化学反应自动地持续下去，形成新的化合物。这种方法形状复杂的梯度材料极具潜力，但仅适用于放对于制备大尺寸、

热反应材料体系，且制备出的材料致密性较差，需经加压致密化处理，且自蔓延烧结过程难以控制。一些科研人员[6]结合流延积层及烧结工艺成功制备出了MoSi2/Al2O3功能梯度电阻材料，当各层厚度大于500μm、加压为3MPa时可明显减少材料的孔隙率，通过控制反应中形成的液相数量（反应生成物Al2O3、MoSi2均有稀释燃烧反应的作用）可实现层状结构，当每层中液相的体积数量大于35%时，可制备出含铝量从（21~81）%的梯度复合材料。

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）、物理气相沉积法（PVD法）以及物）。CVD是利用材料的气体间的化学反理化学气相沉积法（PCVD调节原料应形成沉积层，该法的优点是可以通过选择合成温度、气流量和压力等来控制材料的组成与结构，其优点是容易实现分散相浓度的连续变化，缺点是需要高温高压，工件变形严重并存在危险性。PVD是利用高温加热使金属蒸发、然后沉积到另一材料表面进行制备，其优点是沉积温度低，对基体热影响小，但沉积速度相对也低，不能连续控制成分分布，所制得的材料致密性较差，且涂层与基材表面的结合力较低，涂层易于剥落。日本科技厅金属材料研究所采用此法已制备出Ti/TiC、Ti/TiN、Cr/CrN系FGM。PCVD是PVD和CVD的结合，在基体材料低温侧采用PVD法，而在高温侧采用CVD法。目前，利用PCVD法已制备出30mm厚的SiC/C/TiC多层FGM，一些科研人员[2]采用此法在气缸套、活塞、活塞环等零件表面渗镀一层氮化硼、氮化硅陶瓷薄膜，使得零件的磨损量减少，提高了镀膜零部件的使用寿命。

2.2.6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通过喷枪涂敷在基材表面，然后通过改变激光功率、光斑大小和扫描速度来加热粉体，并在基材表面形成熔池，在此基上通过改变粉末的组成配比，并在覆层熔覆时一同注入，在垂直覆层方向上形成组分的变化，即可获得功能梯度涂层。激光熔覆法的主要优点在于它既可以制备FGM覆膜，也可以制取FGM体材，适应面较广，制备时间也远远小于气相沉积法；缺点在于大多数陶瓷和金属的润湿性较差，结合界面往往是一个薄弱环节，影响了FGM层和基材另外，此的结合强度，因而合理的选择材料体系就显得尤为重要。种方法的制备工艺及设备都比较复杂、昂贵，所以仅适用于特殊场合应用的零部件表面处理。一些科研人员[7]利用激光熔覆法在铝合金基体上制备了AlSi40功能梯度涂层，该涂层的显微组织构成是初生Si被a-Al树枝晶和Al/Si共晶体所包围，初生Si的大小和体积分数在涂层中从内向外连续增大，同时初生Si的形态也由细小的多角形发展成粗大的等轴晶。

2.2.2粉末冶金法

粉末冶金法是将原料颗粒或粉末按照设计好的组分进行混合后再按梯度逐层排列，经压实后烧结而成，通过控制原料的粒度大小和烧结工艺，可得到成分或晶粒度呈梯度变化的材料。这是目前应用比较广泛的工艺，非常适合于制备大体积的梯度材料，但其制备工艺相对比较复杂。一些科研人员[3]认为：利用粉末冶金法制备FGM过程中需要严格控制的参数，包括坯体相对密度、烧结开始温度、收缩速率、收缩温度范围、总的线收缩率等，而这些参数的控制可以通过选择原料粉末颗粒尺寸及级配、外加剂的种类和含量、坯体成型方式、烧结致密化方式等加以实现。

2.2.7等离子喷涂法

等离子喷涂法是将原料粉末材料喷入等离子体（射频放电）中或等离子射流（直流电弧）中，利用等离子所产生的高温、超高熔化或部分熔化后，在冲击力的速热源，使粉末颗粒在其中加速、作用下，在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层，通过调节等离子流的温度和流速、原料粉末成分和供给条其优点是生产效率高、制备涂层质件，从而实现薄膜组成的调节。量好以及喷涂材料范围广，但涂层中较多疏松与孔洞以及片层界面都可能成为导致涂层失效的裂纹源。一些科研人员采用此法已制备出YSZ/NiCoCrAlY梯度材料，并研究了其微观结构、理化性能和热性能。研究结果表明，与双层材料相比，功能梯度材料的性能更优异，FGM涂层的结合强度为18MPa，双层涂层的结合强度仅为9MPa，FGM涂层的热循环寿命是双层涂层的6倍[8]。

2.2.3离心铸造法

离心铸造法制备功能梯度材料的最大特点在于，适合于批量生产，易于制备大块组分连续分布的功能梯度材料，且生产成本较低，这就使离心铸造法成为目前制备功能梯度材料的一种最有效的方法。一些科研人员[4]利用离心铸造法在离心机转速为1300r/min的条件下制备出SiC含量（20～44）%，体积分数）呈梯度变化的铝基但这种方法一般仅复合材料。尽管离心铸造法有很高的生产效率，适用于圆筒类铸件，且两组分间必须有密度差。

2.2.4电沉积法

电沉积法是将含有某种金属离子的电解溶液中被沉积工件作为阴极，利用直流电的作用，使金属离子在液相中进行传质和沉积在阴极上的过程。其沉积速度比气相沉积法高，工艺和设备都较简单，因此是一种获得金属镀层的有效途径，主要工艺方法有电镀、电泳和电铸。该法的优点是对所镀材料的物理、力学性能破坏较小，且设备简单，制备成本低。一些科研人员[5]利用此法从纳米溶胶中制备了Al2O3-Y-TZP/Al2O3管状功能梯度材料，其内层因Al2O3-Y-TZP的梯度分布而具有良好的韧性，而外层因纯Al2O3（厚100um）的存在而具有良好的抗磨损性能。

3功能梯度材料的国内外研究进展

3.1国内研究进展

某大学的一些科研人员利用微波烧结的方法开发了轴对称WC/Co重金属梯度功能材料，通过SEM观察了材料的微结构及硬度，结果表明较小的WC颗粒和微波过程的快速烧结提高了WC/Co重金属梯度功能材料的冶金及机械性能。施随林等用电火花等离子体烧结法在1300℃制得了TiC/Ti3SiC2梯度功能材料，微观结构显示Ti3SiC2颗粒在烧结过程中有效限制了TiC颗粒的生长，因此提高了材料的强度。方明浩等则利用电火花等离子体烧结法的梯

2.2.5自蔓延高温燃烧合成法

该法是利用材料本身化学反应热使材料烧结的新技术，其

No.4Apr.2012

机械设计与制造267

度温度域制成了Cu/PZT梯度功能激励器，并用SEM观察其微观结构。某师范大学羰基金属实验室对用金属有机气相沉积技术（MOCVD）制备金属-陶瓷的成分梯度材料进行了成功的探索。利用该法易于调节金属有机化合物气流量和压力来连续控制改变金所制备的材料致密性能较好，但其主要缺属-陶瓷的组成比和结构，

点是制备大厚度的块材有一定难度，设备要求高。

某大学的李云凯等人利用有限元分析方法，对PSZ/Mo功能层数和每一层梯度材料进行了优化设计，确定了最佳形状因子、在此基础上，用热压烧结方法制备了六层结构的PSZ/Mo的厚度。

功能梯度材料，并利用自制的FGM热性能测试仪，对试样进行了热震性能测试实验，结果表明，优化的PSZ/Mo-FGM具有良好的抗热震性能。中科大的一些科研人员基于铸造和叠层的方法制备了Ni的组成呈梯度分布的NiO/SDC（即氧化钐掺杂二氧化铈）阳极电极，并对其烧结行为、微观结构及热性能进行了充分研究，结果表明，NiO/SDC阳极电极比单一Ni组成的电极具有更好的孔隙颗粒结构和稳定的热膨胀系数。

性能方面，还是等先进工业国，不论是在功能梯度材料组织结构、设备以及材料应用方面都取得了令人瞩目的成果。功制备工艺、

能梯度材料的研究包括材料设计、材料合成和材料性能评价三个方面，材料合成是功能梯度材料研究的核心，材料设计是为材料合成提供最佳的组成和结构梯度分布，材料性能评价是建立准确评价功能梯度材料性能的一套标准化试验方法，三者紧密相关，相辅相成。解决材料设计、材料合成和材料性能评价仍然是功能梯度材料发展中不容忽视的任务，并要尽快使功能梯度材料得到核反应、电子、电磁、化学、生物医广泛应用，特别是在航空航天、学诸多领域。

我国有关梯度功能材料的研究开发虽起步较晚，研究手段和方法还不是很完善，但已取得较大进展。从发展趋势来看，今后应大力完备有关FGM梯度构造和功能的数学定义及理论确定；探索FGM性能评价新方法；计算机辅助设计和解析系统开发；进使其向工一步探索新的制备工艺，使FGM的制备更加简单易行，业化方向发展；纳米FGM材料的研制；开发出大尺寸和复杂性状还应在降低制作成本，提高材料的可靠的FGM制备技术。另外，

FGM性等方面努力。随着人们对梯度功能材料研究的不断深入，将会推动材料科学与技术乃至整个国民经济的发展。

3.2国外研究进展

日本是对梯度功能材料开发研究最多的国家之一，其科研单位、公司已经取得了一系列的研究成果。日本北海道大学的MatsuuraK等开发了基于电弧表面加热熔化的金属表面涂覆金属间化合物技术，并已通过在Nb板上涂覆NbAl3的实验证实了其可行性，在基体金属铌和NbAl3涂层之间，包含一个具有FGM结构变化的薄层，它从表面的NbAl3过渡到NbAl3和Nb2Al共晶结构的NbAl3中间枝晶区以及最终的NbAl3共晶体结构。EiichiMiyazaki等研究了Fe-Mn-Si-Cr形状记忆合金纤维增强的智能梯度功能材料制备方法，并用显微硬度实验和三点弯曲实验测试其机械性能，实验观察到大量的各向异性机械性能，这依赖于SMA纤维的含量。KobayashiH使用泥浆涂层法和无压烧结法制备了Al2O3-PSZ~Fe-Ni梯度功能材料管，一些具有三层或更多层的梯度功能材料管上没有发现裂纹和翘曲，结合界面也可完全连结，比单一的陶瓷管具有更好的抗热震性。TakagiKenta等开发了具有梯度功能显微结构的弯曲型压电陶瓷激励器，利用叠层烧结的方法制成了具有三层不同孔隙率（0，10%，20%）的激励器样品，并使用电应变仪测量了样品的电场感应变位值，结果表明实验测试值和计算数据是一致的。

1977年美国发射的太阳系行星旅行者2探测器上的电源就是由SiGe梯度热电功能材料制成的热电发电机。一些科研人员的MoSiO2梯度材料既能与灯壳体达到匹配封接，又具有钨极一样的导电性，且灯壳与电极间有良好的绝缘性。瑞士一些科研人员通过粉末冶金法成功地制得了ZrO2/NiCr功能梯度材料，该材料从宏观上消除了传统的金属和陶瓷界面，并在化学组成和成分微观分布上表现出良好的梯度分布。比利时的一些科研人员利用电泳沉积法及最终的冷等静压和液相烧结制备了Co和Ti（C，N）成梯度分布的WC-Co-Ti（C，N）梯度功能材料。葡萄牙的一些科研人员利用离心铸造法制备了Al-SiCp功能梯度材料，并用X-射线衍射法、光学显微图片及径向硬度曲线定量分析研究了材料的结构和性能。

5结束语

FGM的研究和开发已成为当前材料研究的前沿课题，也是高新技术功能材料、航空、航天、核工业、生物工程等部门的迫切需要。目前对于FGM的研究大体上处于基础性研究阶段，主要集中在制备方法的可行性、制备过程的模拟、制备后性能的检验以国内具有针对性的应用目标和相应及各因素对最终性能的影响。

理论的研究还不多，因而FGM材料的发展要有效地利用现有研究结果，深化功能梯度材料设计和制造、组织控制与应用以及确若将梯度材料与传统材料、复合材料、仿生材定材料评价标准等。

料、智能材料等有机地结合起来，将会给材料科学领域带来新的活力，而且对下一代新型材料的开发和研究具有十分重要的指导意义。

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（1）：1-5.

4功能梯度材料的发展前景

20多年来，功能梯度材料的发展十分迅速，特别是日、德、美