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1、第十二章 梯度功能材料第一页，本课件共有53页梯子梯子第二页，本课件共有53页梯度流速梯度流速第三页，本课件共有53页梯度温度梯度温度第四页，本课件共有53页梯度浓度梯度浓度第五页，本课件共有53页梯度体积梯度体积第六页，本课件共有53页梯度体积梯度体积第七页，本课件共有53页梯度体积梯度体积第八页，本课件共有53页梯度体积梯度体积第九页，本课件共有53页梯度体积梯度体积第十页，本课件共有53页梯度经济梯度经济第十一页，本课件共有53页梯度性格梯度性格第十二页，本课件共有53页“慈善女王”布鲁克阿斯特“吝啬女王”利昂娜赫姆斯莱利第十三页，本课件共有53页12.1 梯度功能材料及其特点梯度功能材
2、料及其特点第十四页，本课件共有53页第十五页，本课件共有53页l内壁2000，外壁=1000l冲击力大l腐蚀性强第十六页，本课件共有53页 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。梯度功能材料梯度功能材料(functionallygradientmaterials，缩写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；它的设计要求功能、性能随机件内部位置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。第十七页，本课件共有53页梯度功能材料的特点梯度功
3、能材料的特点 ()材料的组分和结构呈连续梯度变化。材料的组分和结构呈连续梯度变化。()材料内部没有明显的界面。材料内部没有明显的界面。()材料的性质也相应呈连续梯度变化。材料的性质也相应呈连续梯度变化。第十八页，本课件共有53页梯度功能材料分类梯度功能材料分类 1.组合方式上组合方式上：金属陶瓷、金属非金属、陶瓷陶瓷、陶瓷非金属以及非金属塑料等多种结合方式；第十九页，本课件共有53页 2.组成变化上组成变化上：梯度功能整体型(组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料)梯度功能涂履型(在基体材料上形成组成渐变的涂层)梯度功能连接型(粘接两个基体间的接缝组成呈梯度变化)；3.功能上：功能上：热防护梯
4、度功能材料和梯度折射率材料等。第二十页，本课件共有53页12.2 12.2 热防护梯度功能材料热防护梯度功能材料l设计l合成l特征评价第二十一页，本课件共有53页12.2.1 12.2.1 热防护梯度功能材料的设计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作航天飞机和宇宙飞船的发动机材料和壳体材料发动机材料和壳体材料。普通。普通的陶瓷、金属和复合材料的机械强度、耐热性、耐热循的陶瓷、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。环性和寿命都很难满足要求。第二十二页，本课件共有53页设
5、计思想：设计思想：它以它以缓和热应力缓和热应力和和耐热、隔热耐热、隔热以及以及耐腐蚀耐腐蚀等为等为目的，目的，使材料的使材料的构成要素构成要素(组成、结构、结合形式等组成、结构、结合形式等)从一侧向另一侧呈现从一侧向另一侧呈现连续性变化连续性变化，从而得到单一和复，从而得到单一和复合合功能渐变功能渐变的非均质材料。的非均质材料。第二十三页，本课件共有53页1.金属强度高、韧性好，但不耐高温和腐蚀；陶瓷耐高温、抗腐蚀，但脆性大，不耐冲击。2.但普通的粘结或组合技术，由于两者界面的热胀系数不同，而产生很大的热应力，引起剥离、开裂和脱落，造成材料的损坏。3.梯度功能材料是一种使金属和陶瓷的组分和结构
6、呈连续变化，从而物性参数也呈连续变化的复合材料。第二十四页，本课件共有53页图12-1梯度热防护功能材料设计概念 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。第二十五页，本课件共有53页梯度功能材料的物性参数物性参数是一种非均质复合材料类型的物性参数，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：复合法则法：Pk1P1k2P2k1k2Q12 式中：P1组分1的物性参数；P2组分2的物性参数；k1组分
7、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有关的函数第二十六页，本课件共有53页12.2.2 热防护梯度功能材料的制备方法热防护梯度功能材料的制备方法图12-4制作方法的分类第二十七页，本课件共有53页1.气相沉积法气相沉积法 分为：物理气相沉积分为：物理气相沉积(PVD)(PVD)法、化学气相沉积法、化学气相沉积(CVD)(CVD)法和物理法和物理-化学气相沉积化学气相沉积(PVD-CVD)(PVD-CVD)法，法，优点：不用烧结，沉积层致密牢固，组成可连续优点：不用烧结，沉积层致密牢固，组成可连续变化。变化。第二十八页，本课件共有53页a.a
8、.物理气相沉积法物理气相沉积法(PVD)通过加热等通过加热等物理方法物理方法使源物质使源物质(如金属等如金属等)蒸发，进蒸发，进而使蒸气沉积在基体上成膜。而使蒸气沉积在基体上成膜。特点：特点：可以制得多层不同物质的膜，但用该法制得的膜较薄，且每层膜只能是某种物质。第二十九页，本课件共有53页b.b.化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定的条通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定的条件下发生件下发生化学反应化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积。，使生成的固相物质在基板上沉积。特点：特点：可以通过选择合成温度，调节原料气的流量和压力等来控制FGM各成
9、分的组分比和结构，而且可镀复杂形状的表面材料，沉积面光滑致密，沉积率高，因而成为制备复杂结构的FGM的表观涂层关键技术之一。第三十页，本课件共有53页c.c.物理物理-化学气相沉积化学气相沉积(PVD-CVD)综合了综合了PVD法和法和CVD法的优点。法的优点。CVD法的沉积温法的沉积温度一般高于度一般高于 PVD法的沉积温度，故在基体的法的沉积温度，故在基体的低温侧采用低温侧采用PVD法，高温侧采用法，高温侧采用CVD法法。例如：TiTiC、TiTiN、TiTiAlN和SiCCTiC等第三十一页，本课件共有53页2.自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法基本原理基本原理：将金属粉末和陶瓷粉末按梯度
10、化填充，加压压实，从成形体的一端点火燃烧，反应自行向另一端传播，利用粉末状混合物间化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材料烧结和合成。第三十二页，本课件共有53页特点：特点：利用高放热反应的能量使化学反应自动持续下去，最适合于生成热大的化合物的合成，如AlN、TiC、TiB2等优点：优点：操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高缺点：缺点：材料致密度低第三十三页，本课件共有53页改进：改进：(提高密度提高密度)电磁加压自蔓延技术合成TiB2Cu系梯度功能材料；自蔓延和热等静压相结合，研制了成分为TiCTiC+10Ni/TiC+20NiTiC+30Ni的大型梯度功能TiCNi材料；爆炸压实生坯和
11、自蔓延高温合成技术制备了A12O3Ti系梯度功能材料（理论密度从8294）第三十四页，本课件共有53页3.颗粒梯度排列法颗粒梯度排列法优点：比较适合制备大体积的梯度材料，优点：比较适合制备大体积的梯度材料，缺点：工艺比较复杂，制品有一定的孔隙率，尺寸缺点：工艺比较复杂，制品有一定的孔隙率，尺寸受模具限制。受模具限制。第三十五页，本课件共有53页12.2.3 热防护梯度功能材料的特征评价热防护梯度功能材料的特征评价 由于其组成和性能是呈梯度变化的，因此不能采用一般常规的测试方法。目前尚无统一的标准。以下是日本热防护梯度功能材料评价小组提出了三个方面包括六项材料特性的评价，简介如下：1.1.局部热
12、应力评价局部热应力评价 采用激光和超声波的方法来评价局部热应力的分布和大小。第三十六页，本课件共有53页2.2.热屏蔽性能评价热屏蔽性能评价通过高温落差基础试验和模拟实际环境下的隔热性能和耐久性试验，来评价梯度功能材料的热屏蔽性能。3.3.破坏强度评价破坏强度评价在2000K以上的环境中，测定其破坏强度，以考察梯度功能材料的耐超高温的机械强度。它包括断裂强度评价、热冲击评价和热疲劳评价。第三十七页，本课件共有53页12.3 12.3 梯度折射率材料梯度折射率材料l折射率梯度类型折射率梯度类型l梯度折射率材料的制法梯度折射率材料的制法 第三十八页，本课件共有53页在传统的光学系统中，各种光学元件
13、所用的材料都是均质的，每个元件内部各处的折射率为常数。梯度折射率材料则是一种非均质材料，它的组分和结构在材料内部按一定规律连续变化，从而使折射率也相应地呈连续变化。第三十九页，本课件共有53页 光学梯度功能材料是最早研究的梯度功能材料。1900年美国人用明胶做成了光折射率沿径向连续变化的圆柱棒，称之为梯度折射率材料(gradient-indexmaterials，简称GIM)。由于制作工艺没有解决，未能实际应用。1969年，日本人用离子交换工艺制成玻璃梯度折射率棒材和光纤，达到了实用水平。第四十页，本课件共有53页（一）类型：（一）类型：径向梯度折射率材料 轴向梯度折射率材料 球向梯度折射率材
14、料12.3.1 12.3.1 折射率梯度类型折射率梯度类型第四十一页，本课件共有53页1.1.径向梯度折射率材料径向梯度折射率材料 径向梯度折射率材料是圆棒状的。它的折射率沿垂直于光轴的半径从中心到边缘连续变化。等折射率面是以光轴为对称轴的圆柱面。第四十二页，本课件共有53页 沿垂直于光轴方向截取一定长度的梯度折射率棒两端加工成平面，就制成一个梯度折射率棒透镜。光线在镜内以正弦曲线的轨迹传播。l如果折射率从边缘到轴心连续增加，就是自聚焦透如果折射率从边缘到轴心连续增加，就是自聚焦透镜，相当于普通镜，相当于普通凸透镜凸透镜。l如果折射率从边缘到轴心连续降低，就是自发散透镜如果折射率从边缘到轴心连
15、续降低，就是自发散透镜相当于相当于凹透镜凹透镜。第四十三页，本课件共有53页2.2.轴向梯度折射率材料轴向梯度折射率材料l 其折射率沿圆柱形材料的轴向呈梯度变化；l 它的等折射率面是材料的横截面。第四十四页，本课件共有53页3.3.球向梯度折射率材料球向梯度折射率材料 其折射率对称于球内某点而分布，这个对称中心可以是球心，也可以不是；它的等折射率面是同心球面。1854年麦克斯韦提出了球面梯度透镜的设想，即著名的Maxwell鱼眼透镜。1985年祝颂来等人报导了一种直径约5mm的玻璃梯度折射率球，1986年Koike等人报导了直径为0.053mm的高分子梯度折射率球。第四十五页，本课件共有53页
16、12.3.2 梯度折射率材料的制法梯度折射率材料的制法 制取方法：制取方法：1.离子交换法 2.溶胶-凝胶法 3.扩散共聚法 4.光共聚法 5.悬浮共聚法 6.界面凝胶共聚法第四十六页，本课件共有53页1.1.离子交换法离子交换法优点：优点：工艺已经成熟，产品已商品化；缺点：缺点：扩散深度小，不能制出大尺寸的梯度材料，仅限于微型光学系统的应用。第四十七页，本课件共有53页2.2.溶胶溶胶-凝胶法凝胶法优点：优点：可做大口径梯度折射率棒材。据报导，美国的Moore等人已用此法制得直径为50mm的梯度棒。缺点：缺点：折射率梯度和尺寸不易控制。第四十八页，本课件共有53页12.4 12.4 梯度功能
17、材料的应用梯度功能材料的应用 高强度耐热材料高强度耐热材料 梯度折射光学材料梯度折射光学材料 生物医学材料生物医学材料 电子材料电子材料 第四十九页，本课件共有53页梯度功能材料制成的人造牙HA-玻璃-钛功能梯度复合材料截面示意图第五十页，本课件共有53页MDGM二硅化钼（MoSi2），熔点高（2030C）、抗高温氧化、耐腐蚀、导电性好、热稳定性高、还具有抵抗钠、锡、铅、锂、铋等熔融金属液浸蚀的本领。可以制造MoSi2高温发热元件，高温热电偶保护套管；制造熔炼钠、锡、铅、锂、铋等金属的坩埚和原子反应堆装置的热交换器；还制造飞机、火箭、导弹的某些零部件。室温脆、高温强度低MDGM是MoSi2的新
18、产品，该产品是在在钢钢或高温合金基体表或高温合金基体表层层，通，通过过高能离子高能离子渗渗镀镀MoSi2，在基体表面形成MoSi2致密镀层，在基体表层内形成一定厚度的MoSi2富集注渗层及过渡层，形成具有两种材料综合性能的新型材料。在室温下，基体材料的韧性使MDGM不脆了，耐蚀功能则由渗镀在表层的MoSi2承担；在高温时，高温强度则由所选高温合金的基体材料决定，表层抗高温氧化的职责由MoSi2负责。第五十一页，本课件共有53页FT8燃气轮机的主要性能如下：ISO基本功率（kW）25700热效率（%）39.2流量（kg/s）85.9排气温度（）457大修间隔（小时）45000启动可靠性99%可用性99.9%FT8燃气轮机的主要性能如下：ISO基本功率（kW）25700热效率（%）39.2流量（kg/s）85.9排气温度（）457大修间隔（小时）45000启动可靠性99%可用性99.9%FT8燃气轮机主要性能如下：ISO基本功率（kW）25700热效率（%）39.2流量（kg/s）85.9排气温度（）457大修间隔（小时）450启动可靠性99%可用性99.9%第五十二页，本课件共有53页FT8燃气轮机低压压气机盘FT8燃气轮机环形件火焰筒第五十三页，本课件共有53页