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梯度功能材料
发布时间:2021-11-08 13:29:18
梯度功能材料(functionally gradient materials,FGM) 是两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料,是应现代航天航空工业等高技术领域的需要,为满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。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。
组成结构
从材料的结构角度来看,梯度功能材料与均一材料、复合材料不同。它是选用两种(或多种)性能不同的材料,通过连续地改变这两种(或多种)材料的组成和结构,使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化,形成梯度功能材料。
关于FGM 的特点,可以从材料的组合方式来看,FGM可分为金属/合金,金属/ 非金属,非金属/陶瓷、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷等多种组合方式,因此可以获得多种特殊功能的材料。这是FGM的一大特点,FGM的特点也可以从材料的组成的变化来看,FGM可分为(1)梯度功能涂覆型,即在基体材料上形成组成渐变的涂层。(2)梯度功能连接型,即是粘接在两个基体间的接缝组成呈梯度变化。(3)梯度功能整体型,即是材料的组成从一侧向另一侧呈梯度渐变的结构材料。因而,可以说FGM具有巨大的应用潜力,这是FGM的另一大特点。
发展前景
FGM的研究由材料设计、材料合成和材料性能评价三个部分组成。材料合成是FGM研究的核心,材料设计则是为FGM合成提供最佳的组成和结构梯度分布,材料性能评价则是建立准确评价FGM性能的一整套标准化试验方法,依此标准对FGM进行测试并将测试结果及时反馈给材料设计部门.三者紧密相关,相辅相成。目前材料设计多数采用逆设计系统。首先是按照对材料性能的要求和使用条件,然后查阅材料组成和构造的知识库,依据设计的基本理论,对材料的组成和结构的梯度分布进行设计。现时,一些新技术、新方法的应用给FGM的研究增添了无穷的活力。例如:计算机辅助设计专家系统对FGM进行模拟设计,文献已有详细地描述。另外,用神经网络、有限元法,分形理论进行FGM 的研究。例如据报道了采用德国SIS公司的Anqlisis图象分析系统的)PRO 版本,测量了ZrO2/Ni系的梯度功能材料的水平面和垂直面的分形维数并初步建立了分形维数与宏观性能之间的关系。根据分形理论,可以用材料的微观结构来表征材料的宏观性能,即是分形维数定量表征梯度功能材料表面微观形貌及其与性能之间的关系。随着软件技术的发展,这一方法将变得更为准确、简捷。采用直接观察测试表面的分形特征用表面形貌来推断其力学性能,可以省去烦琐的性能测试,提高效率,降低成本。当然,用分形理论来研究FGM 的性能还有待FGM性能数据的累积和分析方法的完善。