功能梯度材料专题讲座PPT.ppt
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1、功能梯度材料 (Functional Gradient Materials),蒙诗贵 20101622,主要内容,1 功能梯度概述 2 功能梯度材料的设计过程 3 功能梯度材料的制备方法 4 功能梯度材料的应用,1.1 功能梯度概述,20世纪80年代以来,随着航空航天工业的发展,材料的隔热成了最大的问题,特殊的服役环境致使一般的匀质材料面临着高温和大的温度梯度的挑战,即使足采用陶瓷或金属复合材料,由于两者的热膨胀系数的差异,在高温使用时也会产生巨大的热应力,导致在材料表层出现剥落或龟裂,使材料失效。,针对这种情况,日本材料科学家新野正之、平井敏雄和渡边龙等于1987年首先提出了功能梯度材料的概
2、念。下图为的示意图。的主要优势体现在可以连接种不相容的材料,提高粘结强度,减小不同材料之间的残余应力和裂纹驱动力,消除不同材料界面的交叉点。,图1 FGM结构和特性示意图,2)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(functional gradient materials),1.2 FGM的概念 1)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。(functionally graded materials 新野正之),1.3 梯度材料与合金材料、复合材料的区别,1.4
3、FGM和传统复合材料相比具有的优势 1)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; 2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力; 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。,1.5 功能梯度材料的分类,1)按组合方式分 金属/金属 金属/非金属 金属/陶瓷 非金属/塑料 非金属/陶瓷 陶瓷/陶瓷,2)按组成变化分,梯度功能整体型(从一侧到另一侧组成梯度变化) 梯度功能涂履型(涂层的组成梯度变化) 梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化) 3
4、)按梯度性质变化分为密度FGM,成分FGM,光学FGM,精细FGM等; 4)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。,2,2 功能梯度材料的设计过程 a. 通过计算机辅助设计系统,根据指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; 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。,3 功能梯度材料的制备,3.1 化学
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