[科普中國]-梯度材料

簡介

當(dāng)代高新技術(shù)的飛躍發(fā)展，引起材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的不斷變革，使得各種適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的新材料應(yīng)運(yùn)而生。梯度材料正是適應(yīng)了這種需要，成為材料領(lǐng)域綻開的一朵新葩。

概念所謂梯度材料，嚴(yán)格意義上講，應(yīng)該稱作“梯度功能復(fù)合材料”（FunctionallyGradientMaterials，簡稱FGM），又稱傾斜功能材料。

一般復(fù)合材料中分散相是均勻分布的，整體材料的性能是同一的，但是在有些情況下，人們常常希望同一件材料的兩側(cè)具有不同的性質(zhì)或功能，又希望不同性能的兩側(cè)結(jié)合得完美，從而不至于在苛刻的使用條件下因性能不匹配而發(fā)生破壞。從航天飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)中最有代表性的超音速燃燒沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)為例，燃燒氣體的溫度通常要超過2000℃，對燃燒室壁會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱沖擊；燃燒室壁的另一側(cè)又要經(jīng)受作為燃料的液氫的冷卻作用，通常溫度為－200℃左右。這樣，燃燒室壁接觸燃燒氣體的一側(cè)要承受極高的溫度，接觸液氫的一側(cè)又要承受極低的溫度，一般材料顯然滿足不了這一要求。于是，人們想到將金屬和陶瓷聯(lián)合起來使用，用陶瓷去對付高溫，用金屬來對付低溫。但是，用傳統(tǒng)的技術(shù)將金屬和陶瓷結(jié)合起來時(shí)，由于二者的界面熱力學(xué)特性匹配不好，在極大的熱應(yīng)力下還是會(huì)遭到破壞。針對這種情況，1984年，日本科學(xué)家平井敏雄首先提出了梯度功能材料的新設(shè)想和新概念，并展開研究。這種全新的材料設(shè)計(jì)概念的基本思想是：根據(jù)具體要求，選擇使用兩種具有不同性能的材料，通過連續(xù)地改變兩種材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部界面消失，從而得到功能相應(yīng)于組成和結(jié)構(gòu)的變化而漸變的非均質(zhì)材料，以減小和克服結(jié)合部位的性能不匹配因素。例如，對上述的燃燒室壁，在陶瓷和金屬之間通過連續(xù)地控制內(nèi)部組成和微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化，使兩種材料之間不出現(xiàn)界面，從而使整體材料具有耐熱應(yīng)力強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度也較好的新功能。

分類當(dāng)前對聚合物梯度材料的分類尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可分為核功能梯度材料、生物功能梯度材料、化學(xué)功能梯度材料、光學(xué)功能梯度材料等；根據(jù)其組成材料的不同，可以分為高聚物/高聚物、高聚物/陶瓷、高聚物/金屬和高聚物/無機(jī)填料等類型；根據(jù)制備方法的不同，又有化學(xué)方法制備型和物理方法制備型；其中根據(jù)梯度化因素的不同，化學(xué)方法制備型梯度材料中又可分為組成梯度變化型、交聯(lián)度梯度變化型、結(jié)晶度梯度變化型等梯度材料；物理方法制備型梯度材料中又可分為取向度梯度變化型、相形態(tài)梯度變化型、分散相粒徑或組成梯度變化型等1。

研究現(xiàn)狀目前，梯度材料的研究主要集中于材料的設(shè)計(jì)、制備和評(píng)價(jià)三個(gè)方面。

關(guān)于設(shè)計(jì)：梯度功能材料的設(shè)計(jì)特色在于設(shè)計(jì)與材料的合成手段緊密結(jié)合，并借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，得出接近于實(shí)際的結(jié)果。關(guān)于制備材料的性能取決于體系選擇及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對梯度功能材料必須采取有效的制備技術(shù)來保證材料的設(shè)計(jì)。目前，已開發(fā)的梯度材料制備方法主要有：化學(xué)氣相沉積法、物理蒸發(fā)法、等離子噴涂法、顆粒梯度排列法、自蔓延高溫合成法、液膜直接成法及薄膜浸滲成型法等。

關(guān)于評(píng)價(jià)：對梯度功能材料性能評(píng)價(jià)，目前國內(nèi)外尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，由于使用目的、使用環(huán)境、制備方法等的不同，可能有不同的評(píng)價(jià)方法。例如，對等離子噴涂法制備的FGM，參照等離子噴涂的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度、熱沖擊性、隔熱性以及耐熱性等性能評(píng)價(jià)。

應(yīng)用雖然FGM的最初目的是解決航天飛機(jī)的熱保護(hù)問題，提出了梯度化結(jié)合金屬和超耐熱陶瓷這一新奇想法。鑒于梯度材料的特點(diǎn)，它很快就被利用在其他功能材料的構(gòu)想和研究中，現(xiàn)在，隨著FGM的研究和開發(fā)，其用途已不局限于宇航工業(yè)上，其應(yīng)用已擴(kuò)大到核能源、電子、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，其組成也由金屬－陶瓷發(fā)展成為金屬－合金、非金屬－非金屬、非金屬－陶瓷、高分子膜－高分子膜等多種組合，種類繁多，應(yīng)用前景十分廣闊。