嘉信塑胶-弹性体、工程塑料颗粒批发!

您现在的位置: 网站首页 > 塑料杂谈 >

梯度功能材料-梯度功能材料的介绍

来源:https://www.xiutupi.com 发布时间:2021-10-06热度:

梯度功能材料

随着科学技术的发展和社会的进步,对现代材料的使用环境要求也越来越苛刻,越来越极端。
单质的传统材料(或一般的复合材料)已经越来越不能适应当代科技发展的需要。
梯度功能材料(Functionally Graded Materials,FGM)正式作为一个材料学概念,是在20世纪80年代为解决高速航天器中材料的热应力缓和问题而被提出的。
FGM通过金属、陶瓷或高分子等材料的有机组合,在两个界面之间采用先进功能材料复合技术,通过控制两种材料的相对构成或组织结构,使其无界面逐渐变化,从而使整个材料具有更好的耐热性、更高的力学性能等新功能。

梯度功能材料由于其“可设计”性,因而具有其他材料不可比拟的物理、化学和力学性能。
目前,FGM在航空航天、生物医学、能源工程、机械工程、电磁和核工程等诸多领域都有着较高的使用价值和较为广阔的应用前景,已成为特殊领域的关键材料,是当前国内外材料领域的研究热点之一。

梯度功能材料的介绍

梯度功能材料是两种或多种材料复合成的结构和组分呈连续梯度变化的一种新型复合材料。

1984年,日本学者首先提出了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的高温气体环境;
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。

梯度功能材料是由于航空航天技术的发展而提出的新概念。
航天飞机从近地轨道进入大气层时,其飞行速度达8M(1M=340 m/s),机头尖端和发动机燃烧室温度达2000℃以上;
而燃烧室的另一侧用液氢冷却时,内外侧温差达looo℃以上,巨大的温差使材料内部产生极大的热应力。
将陶瓷涂敷在耐高温金属的表面制成的复合材料,由于金届和陶瓷之间存在明显的界面,界面处材料的热膨胀系数、导热率等性能发生突变。
两侧的温差过大,使界面处产生很大的热应力,导致深层裂缝,剥落,使材料失效。
而FGM是在与高温接触的一侧使用耐热性好、抗氧化性高的陶瓷,温度较低的另一侧采用导热性能好、机械强度高的金属,中间过渡层的组织、结构性能连续变化,即形成梯度分布,从而得到一种非均质材料——FGM。

均质金属材料、普通复合材料和梯度功能材料的结构与性能,均质金属材料不存在组织过渡,其组织以及与之相应的功能和性质在材料内部均匀分布;
普材料的两相组成存在明显的异相突变界面,所以材料两侧的物理和化学性能相差较大两个表面由不同的材料构成,但在厚度方向的组成按一定规律呈连续性梯度变化,从结构的一个表面到结构的另一个表面的中间组分逐渐过渡。普通复合材料在应用过程中所承受的外界载荷不均一。

普通复合材料在两相的界面上存在物理性能失配的问题,在极高温度载荷作用下,层间易产生应力集中,从而出现脱层或者在界面上萌生裂纹、削弱材料性能的现象;
同时,普通复合材料中增强体与基体间的热膨胀系数的差异导致材料残余应力的产生。
FGM通过逐渐地梯度性地改变材料组成成分的体积比例,使其在界面上不产生突变,使热应力缓和,材料内部无明显的界面,从而使其比其他复合材料更能满足实际的使用需要。

梯度功能材料并不完全是一种新材料,古人很早就根据梯度性思路来炼铁。
在日本出土的一把剑刃上,我们可以看到剑锋、剑刃部和主体的颜色是不同的,这说明它们的成分也是不同的。
出土于湖北江陵楚墓的春秋晚期的越王勾践剑的主要成分是铜、锡以及少量的铝、铁、镍、硫,剑的各个部位的铜和锡的比例不一样,形成了良好的成分梯度。
另外,剑脊古铜较多,韧性好,不易折断;剑刃部含锡量高,硬度大,使剑非常锋利;花纹处含硫量高,硫化铜可防锈蚀。

大自然早就把梯度概念引人生物组织中了,例如其外部坚韧,内部疏松多孔。
另外,厨房使用的菜刀,其他部位的材料则应该具有高强度和韧性。
动物的骨头就是一种梯度结构,其刀刃部需要硬度高的材料

梯度功能材料-梯度功能材料的介绍第1张图

本文主题:梯度功能材料-梯度功能材料的介绍:https://www.xiutupi.com/slzt/2443.html

责任编辑:嘉信