梯度功能复合材料).doc

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1、在现代航天航空等高技术领域里，经常会要求材料在极限环境（超高温、大温度落差）下能反复地正常工作。例如当航天飞机往返大气层时，飞行速度超过25Mach,其表面温度高达2000℃。燃烧室的温度更高，对如此巨大的热量必须采取冷却的措施。而此时燃烧室内外温差大于1000℃，传统的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境，而金属表面陶瓷涂层材料或金属与陶瓷复合材料在此高温环境中使用时，由于二者的热膨胀系数相差较大，往往在金属和陶瓷的界面处产生较大的热应力，导致出现剥落或龟裂现象而使材料失效。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。如果材料

2、逐步过渡，应力集中就会大大降低为了有效解决此类耐热材料，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三等人于1987年首次提出了金属和超耐热陶瓷梯度化结合这一新奇想法，即梯度功能材料(FGM)的新概念。梯度功能材料(FGM)是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料；它要求功能、性能随内部位置的变化而变化，实现功能梯度的材料。又称倾斜功能复合材料例如：菜刀刃部坚硬；而其它地方具有高强度和韧性。同样地，一个齿轮轮体必须有好的韧性，而其表面则必须坚硬和耐磨。涡轮叶片的主体必须高强度、高韧性和抗蠕变，而它的外表面必须耐热和抗氧化。•梯度

3、功能材料早就出现在自然界中。•竹子是一种典型的梯度功能材料，人类和动物身体中的骨骼也是一种梯度材料，其特点是结构中的最强单元承受最高的应力。•生物的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大差异。有生命的FGM是“有智能的”，它们能感受所处环境的变化(包括局部应力集中)，产生相应的结构修改，而人造梯度材料至少在目前还缺乏这种功能。3.梯度功能材料的主要特征(ⅰ)材料的组分和结构呈连续梯度变化。(ⅱ)材料内部没有明显的界面。(ⅲ)材料的性质也相应呈连续梯度变化二、梯度功能材料的设计一般采用逆设计系统，其设计过程如下：a.通过计算机辅助设计系统，①根据指

4、定的材料结构形状和受热环境，得出热力学边界条件；选择有可能合成的材料组配和恰当的制造方法；②根据材料的物理参数及控制梯度变化的适宜条件，进行温度分布解析和热应力解析，探索比应力达最小值的组成分布形状或材料组配b.把获得的结果作为进行梯度功能材料的制备依据。一般先制备出较小的试件；然后进行扩大性试验。c.将其用于实际环境中进行试验热防护梯度功能材料的设计热防护梯度功能材料早期提出的应用目标主要是用作航天飞机和宇宙飞船的发动机材料和壳体材料。普通的陶瓷、金属和复合材料的机械强度、耐热性、耐热循环性和寿命都很难满足要求（一）设计思想：它以缓和热应力

5、和耐热、隔热以及耐腐蚀等为目的，使材料的构成要素(组成、结构、结合形式等)从一侧向另一侧呈现连续性变化，从而得到单一和复合功能渐变的非均质材料。金属和陶瓷的组分和结构呈连续变化，从而物性参数也呈连续变化。高温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，低温侧壁使用导热和强度好的金属材料；材料从陶瓷过渡到金属的过程中，其耐热性逐渐降低，机械强度逐渐升高，热应力在材料两端均很小，在材料中部达到峰值，从而具有热应力缓和功能。（二）主要研究内容：1.梯度功能材料所需的物性数据的推定方法2.梯度功能材料的理论模型和热应力解析方法梯度功能材料的物性参数是一种非均质复合材

6、料类型的物性参数，它主要取决于梯度层中的组成和微观结构。推定方法有：实测法、复合法则法和微观力学法。复合法则法：P＝k1P1＋k2P2＋k1k2Q12式中：P1——组分1的物性参数；P2——组分2的物性参数；k1——组分1的体积分数；k2——组分2的体积分数P——梯度功能材料的物性参数；Q12——与k1、P1、k2、P2有关的函数表示组成的梯度变化的分布函数形式的选择直接影响梯度功能材料的热应力解析结果和组成梯度分布优化的结果。目前采用较多的是Wakashima等提出的幂函数分布形式：(组分1的体积分数k1是x的一元函数k1(x))k1(x)

7、＝（x/d）n式中：d——梯度材料厚度；n——梯度指数。通过改变n值的大小，可以改变k1(x)曲线的形状。适当选取n值可以满足设计要求。