梯度功能材料

梯度功能材料（精选8篇）

篇1：梯度功能材料

梯度功能材料研究与应用

摘 要：

介绍了近年来梯度功能材料(FGM)国外发展动态,较详细叙述了梯度功能材料制备方法,如化学气相沉积法(CVD),放电等离子烧结法(SPS),复合离心铸造法(CDC)等工艺方法,并介绍了梯度磁性材料、封接合金、刀具材料及生体材料的制备、性能、特点及应用。

关键词： 梯度功能材料；性能； 特点； 应用 前 言

材料组成的梯度结构是20世纪70年代初提出的崭新概念,但真正进行研究开发及应用梯度功能材料则是80年代以后的事。虽说迄今梯度功能材料发展不到20年,但其研究开发却十分迅速,特别是日、德、美等先进工业国不论是对梯度功能材料组织结构、性能,还是它们的制备工艺、设备以及材料应用等方面都取得了令人瞩目的成果。进入90年代后,梯度功能材料受到国际材料界的广泛重视,为促进其交流与发展于1990年在日本召开了第一届国际梯度功能材料学术讨论会(FGM),随后每两年召开一次,到1996年已开了四次。会议发表论文数量逐届迅速增长,从第一届的70余篇已增加到近200篇。论文涉及领域非常广泛,如在功能材料中的应用及制备;在结构材料中的应用及制备;机械性能;梯度结构设计等。从会议论文内容看,功能性梯度材料研究与应用论文数量越来越多,表明梯度功能材料开发研究是梯度材料发展的主流。本文主要介绍梯度功能材料国外最新发展动向,较详细叙述近年开发的梯度功能材料制备工艺及梯度磁性材料,梯度封接合金,梯度耐热、耐磨合金,生体用梯度材料等。梯度功能材料概述

众所周知迄今人们所熟悉的各种金属材料,不论是晶态材料还是非晶态材料的组成结构都是均匀一致的,因此对于某种确定的材料而言,其物理、机械、电磁等性能是一定的。但是梯度材料的组成成分浓度在材料的某个方向上是连续变化的,即形成梯度分布。这类材料因其内部成分、结构变化所以它的性能也是连续变化的,这种变化的性能正满足了不同工作环境对材料的要求。图1显示出了均质金属材料、复合材料以及梯度材料结构与性能的比较。

图1 均质、复合及梯度材料结构及性能比较

图1示出的是最早开发的耐热隔热陶瓷/金属梯度功能材料(c)与陶瓷/金属复合材料(b),陶瓷金属均质材料(a)的结构,性能比较。由图不难看出均质材料内陶瓷与金属均匀分布,其性能如耐热性、导热性、热膨胀系数均不随空间而变化。复合材料(b)有一明确的连接界面,在界面两边性能截然不同,即跨过界面性能发生突变。这种复合材料在高温下由于界面两侧膨胀系数差很大,容易由于热应力而引起剥离损坏。图1c显示了陶瓷/金属梯度功能材料,从左至右陶瓷浓度减小,而金属含量增加,左端为陶瓷右端为金属。这种结构材料的性能随成分变化而变化,热应力得到缓解,克服了复合材料存在的问题,满足了作为航天飞机机身耐热瓦的苛刻工作环境要求。其实,梯度结构材料在自然界早已存在,如人们熟悉的竹子,其直径虽不20cm却可高达十几米,挺拔而立,这是由于它的结构不同于一般树木。竹子由表皮、基本组织及纤维管束构成。纤维管束则由纤维管束鞘、管孔道等部分组成,其中纤维管束鞘具有很高弹性,且抗拉强度可与钢铁相比,从表皮向里纤维管束鞘浓度逐渐减少,表皮浓度高达90%以上,因此使竹子具有表皮坚硬、内部柔韧、整体质轻等特点。还有人骨也是典型的梯度结构,它由骨质构成,而骨质又分为致密质和海棉质两类。人骨从内部向表面是由海棉质向致密质变化,这样骨表层是骨质密度高的致密质使骨表面坚硬结实,而向里则是海棉质,使骨骼具有柔韧性。所以整个人身骨 2

骼就能支撑人身体,使其能进行立、坐、卧、跑、跳等各种活动。纵观自然界中植物、动物等生物体中的梯度结构,使我们认识到千百万年来生体为适应生存的环境,而逐渐进化形成最适应环境变化的梯度组织,这是一种高度进化的结构形式,可以说当金开发梯度功能材料正是受到生体结构的启发,有人还称梯度功能材料是材料开发的一种最终形态。制备方法的研究与开发

梯度结构材料的制备过程需要严格控制浓度、流量、温度及压力等参数,因此是相当复杂的。目前按原材料形态可分为气相、液相(融熔态)、固相(粉末)等三种方法,具体详见表1所列。以下就表1列出的方法中,目前最常用的几种作较详细的介绍。

3.1 物理气相沉积法

物理气相沉积法(简称PVD法)是高温加热金属使其蒸发然后沉积于基材上,形成约100Lm厚的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束加热、利用空心阴极放电(HCD)的等离子加热及利用气体离子的溅射等方法。图2示出了HCD型 3

图2 HCD型PVD装置示意图

该装置由水冷铜坩埚、被蒸发金属、反应气体导入管、基板、加热器、氩气管、中空钽阴极等组成。为了获得金属氧化物、氮化物、碳化物陶瓷,需加入氮气、碳氢化物等气体,使之与金属蒸气发生反应。该装置中氩等离子体直接加热被蒸发的金属,其温度可达2000℃,所以选用融点在2000℃以下的被蒸发材料。该加热方法适合于制备陶瓷材料。为了得到成分符合要求的梯度材料,在合成过程中必须严格控制反应气体流量,例如在钛基板上合成TiC/Ti系梯度功能材料,就应当使C2H2反应气体流量从零变化到能生成TiC的流量,这样在基板上便可得到组成连续变化的TiC/Ti梯度材料。

3.2 化学气相沉积法(CVD法)化学气相沉积法是气相法生产梯度功能材料的一种化学反应方法,该法又分为热CVD、等离子CVD及光CVD。图3示出等离子CVD装置示意图。该装置由进气、加热、反应炉、排气、测温及控制等系统组成。CVD法是使含金属、类金属的卤化物气体加热分解,然后使金属、类金属沉积于基板上。这种方法沉积速度快,较物理气相沉积(PVD)法形成膜的速度快十余倍,因此可得到数mm厚的膜。该法也可使反应气体与卤化物气体混合,产生氮化物、碳化物陶瓷。采用等离子激发气体,较加热基材的热CVD更容易合成陶瓷。通常采用高频等离子CVD与高频和直流弧并用的放电等离子CVD来制造梯度功能材料。当选SiCl4、TiCl4、BCl3作为卤化物气体,与反应气体C2H2混合,混合比从零至碳化物生成的流量增加，图3 CVD装置示意图

3.3 喷涂法及复合离心浇注法

所谓喷涂法就是把金属、陶瓷粉末及它们的混合物用高温气焰或等离子加热使之熔融或半熔融,然后喷涂到基体表面形成膜层的表面处理技术。其目的是改善表面特性,使之具有耐腐蚀,耐热等性能。喷涂法有气式和电式两种形式。前者采用气焰喷涂,后者多采用等离子喷涂和高频等离子喷涂。等离子喷涂金属/陶瓷梯度功能材料常采用双等离子喷枪装置,其中一只喷枪喷射金属粉末,如Ni、Mo等,另一只喷枪喷射陶瓷粉末,如TiC等。两只喷枪与基板有一定距离,并成一定角度。作业时,一只喷射量逐渐减少,另一只则逐渐增大,至所要求量,这样在基板上就可形成金属/陶瓷组成变化的梯度结构材料。新日铁还开发出瞬时烧结制造CrSi2厚膜梯度材料的装置。实际上这是一台混合等离子喷涂设备。该装置设有3个直流等离子喷枪和1个高频等离子加热装置。原料粉末在等离体中加热,经喷咀高速喷射到基板上,为了得到均匀的膜,该板既自转,又公转,同时用高温气焰进行烧结。粉末的喷射速度及组成,喷咀至基板距离可以调节,这样便可得到CrSi2梯度厚膜,喷涂形成的膜中一般含有占总体积10%的气孔。喷涂工艺一般用于生体功能梯度材料的制备。除采用喷涂技术制造梯度膜材料外,也有采用复合离心铸造法制造耐磨梯度材料,其设备如图4所示。

该法是利用复合式浇注二种熔融合金,在高速旋转模子的离心力作用下在内壁上形成筒形铸件。大参达也制取的是Al-Cr合金梯度耐磨材料。作为铸型中第1种熔融合金是Al,第二种是高Cr浓度Al-Cr合金。第1种合金先喷出,第2种后喷出,两者有一时间差,且后者温度高,这样形成的复合层,具有梯度硬度分布。

3.4 放电烧结法

放电烧结法是粉末冶金的一种方法,最近也成为固相(粉末)法合成梯度功能材料的一种方法。该法是把金属或陶瓷等粉末置于用石墨制成的模中,然后加压,加热或加压后加热烧结的方法。一般采用通电加热。该法早在1933年已出现,当时加热方式是向碳模和粉末直接通直流电,利用其自身电阻直接加热,具有短时间固化的优点,但难以形成高密度材料,一般适合于制造多孔的(疏松)超硬质合金。到1962年开发出了采用脉冲电流加热的新技术,与此同时还有交直流叠加和半波整流电源等形式。这种脉冲放电加热方式,克服了多孔化的问题,可以制备稳定相、接合等材料。到1990年代初出现了智能烧结技术,他可以通过控制温度、应力、时间电流、脉冲波形等来制备纳米、非晶合金、金属间化合物、梯度功能材料等高技术发展需要的尖端材料。用放电烧结法制取梯度功能材料重要的一点是原材料粉末的粒径。例如合成金属/陶瓷梯度功能材料,因两者的烧结特性有很大差异,烧结条件也不尽相同。由于陶瓷没有象金属那样良好的塑性,所以烧结时看不出收缩,为了消除这种不平衡必须控制烧结用粉末的粒径,使其具有相近的烧结特性。经验表明陶瓷粉末与金属粉末的粒径比应为1比100较为合适。

3.5 共晶接合法形成梯度材料

共晶接合法也称为凝固偏析法,它是制备梯度功能材料的一种简便方法。该法的原理是使具有共晶反应的金属及其金属间化合物接触,并加热至共晶温度以上,在接触界面形成一层共晶熔液,然后冷却凝固产生偏析便得到梯度功能材料。如研究的Ti-Ti5Si3系,Ti-Ti3Sn系。使钛和Ti5Si3片(块)接触,并加热至1350℃,接触面发生共晶反应而熔化,当冷却凝固至室温时钛和Ti5Si3片间形成含有初晶的共晶组织的接合层,该层具有三段变化的梯度组织。该方法也存在一定问题,即由于共晶熔体能渗透达粉末粒子的表面致使其耐氧化性变差,为此不能采用粉末而必须用致密厚实的均质层。土田佑树采用改良型的共晶被覆法来制备梯度功能材料。在钛板或圆棒上先覆一层Ti-31%(原子)Sn粉末,然后加热至1888K,加热速度8.5K/min,然后以5K/min冷却,即得到Ti/Ti3Sn梯度功能材料。

4梯度功能材料的应用

如前所述梯度功能材料具有组成,结构从一种到另一种连续变化的特点,它可以把两种完全不同的性能,如耐磨性和强韧性融于一体。这种特殊的材料能在两种温差很大或环境截然不同的条件下工作。因此得到了广泛的应用,如火箭发动机、航天飞机机身,核反应堆中用的耐热材料、耐热冲击材料;能量转换器件中使用的热电子发电材料、热电发电材料;机械工具中使用的车、铣、钻等刀具耐磨、耐破损材料;在电子器件中用的梯度半导体材料、传感器材料;作为人体植入物使用的人工骨关节、人工齿根等。总之目前梯度功能材料已获得广泛应用。下面较详细地介绍梯度功能材料在切削工具、热电发电器件、变压器铁芯、封接元件以及人工骨、牙齿方面的应用。

4.1 梯度切削工具材料

梯度功能材料的应用开发中较早的是使用于切削工具、矿山工具、耐磨工具等,如车刀、铣刀、钻头等。在切削作业时由于刀具或工件高速旋转,刀头与工件摩擦产生大量热、使刀头迅速升温,其温度可高达1000℃,这时为了正常作业须加注冷却剂,这样刀具特别是刀头就处于急冷、急热的恶劣环境下,由于应力的作用,会产生裂纹最后破碎。因此作为切削刀具材料必须兼有表面高耐磨性和内部高韧性的特性。目前切削工具材料主要使用超硬质工具材料,常用的3种及其特点如表2所列。

表2常用的切削工具材料及特点比较

硬质合金作为切削工具材料其耐磨性较差而韧性良好。单硬质合金WC用目前的技术还难烧结合成,必须添加Co,加Co后的WC-Co强度和韧性均提高但硬度下降,这样耐破损性提高而耐磨性却降低。金属陶瓷材料恰与其相反。为了提高WC-Co烧结体的硬度,使之适合用作切削工具材料,1960年代末开发出表面涂层材料,这种材料表面耐磨而内部强韧,但是由于热应力而剥离脱落且制造工艺复杂,成本高,较难推广普及。

4.2 梯度热电能量转换材料

热电变换元件构成的直接发电系统具有结构简单,无可动部分的特点,因此这种系统可靠性高,易维修保养。热电元件发电原理与测温热电偶相同,其发电性能随温度变化,温度的选择应使热电变换效率达到最高。梯度热电变换材料的出现使这一目标成为可能。常用的热电材料有Bi-Te系、Pb-Te系、Fe-Si系、Si-Ge系。研究开发了PbTe热电材料,这种材料属于n型,即载流子为电子。这种材料使用于低温300K(室温),高温为700K,采用分割接合式Pb-Te构成的梯度热电材料发电系统较单一材料组成的热电元件输出功率高约20%。

4.3 梯度软磁硅钢材料

硅钢是用量最大,使用最广的一种软磁材料。据报道目前世界年产量约700万t。硅钢在电气设备(如配电变压器、电机等)中广泛使用,但始终存在着二个问题:铁损和噪声。减小铁损,降低噪声一直是硅钢研究开发的最重要项目。提高硅钢硅含量是行之有效的一种方法。研究表明,硅含量由3.5%(质量)提高到6.5%(质量)时,硅钢的磁导率达到最大,铁损减至最低,磁致伸缩近于零。含Si 6.5%的高硅钢性能不仅优于3.5%的硅钢,而且比非晶软磁合金磁伸更小和热稳定性更好。

4.4 梯度封接合金

封接合金是电真空器件如电子管、灯等中用于封接石英玻璃外壳及金属电极的材料。

在检卤(漏)灯的封接中,传统的方法是用一层钼箔夹层。但由于钼与石英玻璃两者膨胀系数相差大(400℃时AMo=5.6@10-6,ASiO2=0.55@10-6)所以封接作业或灯工作时封接处产生热应力,导致出现微裂纹,使壳内真空度下降,甚至灯体破碎,特别是对于大功率灯更为严重。梯度功能材料的出现解决了上述问题。Ishibashi H等研制的Mo-SiO2梯度材料既能与灯壳体达到匹配封接,又具有与钨极一样的导电性,且灯壳与电极间有良好的缘绝性。该种封接材料是经制粉配料y制浆y粉浆浇注沉积y压型y干燥y预烧y烧结工艺流程,制成(<1.5cm@2.5cm)制品,后经机加工便可作检卤灯的封接材料。

4.5 梯度生体植入材料的应用

生物体的组织、结构及性能是大自然经千百万年造就的最佳物质形态,它的功能、组织结构极其精巧,具有高效率、高精度自适应环境的能力,如人的骨、牙齿既耐磨又坚韧,这就是由于骨和牙齿从宏观生物组织到微观分子具有梯度结构形式。当人的骨、牙齿由于某些原因损坏或老化需要修复更换时,传统的方法是利用适应人体环境的材料,如常用的Al2O3单晶、羟(基)磷灰石(HA)烧结体及Ti合金等。当更换损坏的牙齿时,目前多采用植牙的方法,这需要把人工齿根埋入牙床。人工齿根通常为螺钉、圆柱或叶片型,以强度大的Ti为齿根基材,在其与牙床骨质接触的部分外侧面及底面覆一层羟磷灰石,虽然它与骨质有很好的亲合力,但因界面应力可能从钛基体剥落或被骨质吸收,当梯度材料出现后,就采用喷涂的方法在钛合金柱型齿根侧面及底面覆上一层从钛至羟磷灰石组成连续变化的梯度功能材料,这样侧面羟磷灰石就难以从钛齿根剥离,而且治愈时间可以缩短,而底部较厚的羟磷灰石层也可以短时间与牙床固实。治愈后即使羟磷灰石层被吸收,齿根也不会摇动,从而显示了梯度材料的优越性。另外梯度功能材料在人工骨关节上也得到应用。以往假肢体是用PMMA骨粘结剂连接到骨的软细胞组织体上,而这种组织是在骨粘接剂和骨之间。但新开发的梯度功能材料则是将100~300Lm的羟(基)磷灰石微粒置于骨和骨粘结剂中间,形成骨/羟磷灰石/骨粘结剂/钛合金人工骨(关节)顺序的梯度结构,其假体与骨之间具有很强的结合力,因此这种假肢不但适合于生体环境而且使用耐久,是优异的人工骨材料,目前梯度功能材料已大量用于骨外科手术中。

参考文献

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梯度功能材料研究与应用

学院：材料与冶金学院班级：金材2011-2

姓名：闫斯文

学号：120113208026 电话：***

篇2：梯度功能材料

功能梯度材料圆柱滚子轴承承载能力研究

为解决轴承“边缘效应”问题,提高轴承的承载能力,文中采用有限元法对功能梯度材料圆柱滚子轴承滚动体的`材料性能对轴承最大等效应力和最大接触应力的影响进行了研究.研究结果表明:当滚动体材料性能分布合理时,在一定程度上可以降低轴承滚动体的最大等效应力和最大接触应力,降低或避免轴承滚动体“边缘效应”问题,提高轴承承载能力.

作 者：张秀娟 张松哲 魏延刚 ZHANG Xiu-juan ZHANG Song-zhe WEI Yan-gang 作者单位：大连交通大学,机械工程学院,山东,大连,116028刊 名：机械设计 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF MACHINE DESIGN年，卷(期)：25(3)分类号：O343.3 TH133.33关键词：有限元分析 功能梯度材料滚子轴承 材料性能 承载能力

篇3：功能梯度材料的制备与应用进展

关键词：功能梯度材料,制备技术,应用

0 引言

随着科学技术的发展和人类对未知领域的探索,对材料的性能提出了更加苛刻的要求。FGM是为了满足材料在极限环境下使用而开发出来的一种新型复合材料,它以计算机辅助设计为基础,采用先进的材料复合技术,使材料成分非均匀化而使性能呈梯度变化[1,2]。虽然FGM最初的开发目的仅仅是针对航空航天领域的超耐热材料和热障材料,但由于FGM具有成分、组织、力学性能和物理机械性能等连续变化的特点,可以把2种或多种性能完全不一样的材料有机地结合在一起,与传统的复合材料相比,FGM具有优异的物理机械性能,因而在航空航天、机械工程、核能工程、光电工程、生物医学工程等许多领域都有着较高的使用价值和广阔的应用前景[3]。

1 功能梯度材料的产生背景

人类很早就认识到非均匀材料广泛存在于自然界中,如岩石、竹子、牙齿、骨骼等生命或非生命物体[4,5],并且其中一些的应用已有数千年的历史。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,即使是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[6]。针对这种情况,日本科学家于1987年首先提出了FGM的概念[7]。图1为FGM的示意图。FGM的主要优势体现在可以连接2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[8]。

2 功能梯度材料的制备

由于FGM包含连续变化的材料组织或微观结构,它的制备方法是使材料中的成分或组织非均匀化,产生一定的梯度。目前制备FGM的方法主要有以下几种。

2.1 等离子喷涂法

等离子喷涂法是以气体作为载体将要喷涂的材料(粉末)吹入等离子体射流中,依靠等离子弧将粉末熔化,熔融态的粒子被气体进一步加速之后以极高的速度与基体表面发生撞击,产生强烈的塑性变形,形成扁平的层状结构涂层。马壮等[9]用该方法在Al基体上制备了缓解热应力的FGM,由靠近基体的Al/Ni金属层向表面的ZrO2陶瓷层过渡。对涂层在400℃进行的热震实验表明,涂层在冷却初期降温最快,由于Al/Ni金属层与Al基体的膨胀系数不同,加上基体本身的边界效应,涂层与基体界面处的热应力最大,另外,高温造成了Ni的优先氧化和裂纹的扩散,促进了涂层的剥落和失效。

在等离子喷涂过程中,粒子在沉积到基体前处于熔化或半熔化状态,粒子与基体的结合同时存在冶金结合和机械咬合,由于沉积过程中温度较高,粒子与基体之间发生互扩散,使部分涂层粒子与基体的结合强度高于涂层内粒子的结合强度,;而且,熔化状态的粒子在喷涂过程中可能会发生氧化或晶粒长大,导致梯度材料的性能恶化。

2.2 自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法是利用材料本身化学反应热使材料烧结的新技术,其原理是利用2种或多种反应物在一定条件下发生高放热反应产生高温,使化学反应自动地持续下去,形成新的化合物。王鹏飞等[10]采用该技术制备了7层(每一层Cu的质量分数分别为0%、2.78%、11.11%、25%、44.44%、69.44%、100%)可望用于超级集成电路和高功率半导体的Mo/Cu梯度材料。如图2所示,随着Cu含量的增加,梯度材料的硬度呈抛物线下降,热导率增加,可见,随着成分的渐变,材料的性能也随之变化。对该梯度材料进行的剪切实验发现,断裂表面不平整,有抛物线型韧窝,以沿晶断裂为主,表明在层与层的界面处存在显微孔隙,在应力的作用下产生变形,使孔隙不断长大而形成韧窝,最终使材料断裂失效。

2.3 粉末冶金法

粉末冶金法是将原料颗粒或粉末按照设计好的组分进行混合后再按梯度逐层排列,经压实后烧结而成,通过控制原料的粒度大小和烧结工艺,可以得到成分或晶粒度呈梯度变化的材料。目前采用该方法已经成功地制备了SiC/C[11,12,13]、B4C/C[14]和SiCp/Al[15]FGM。武安华等[11]制备了SiC/C复合材料以及4层(从100%SiC过渡到100%C共有4层材料)和7层的SiC/C FGM。由于材料的组成呈梯度变化,在截面形貌上反应为从一侧白色的SiC渐变为另一侧黑色的C。材料的循环淬火实验表明,SiC/C复合材料经过5次就失效并且剥落,而4层和7层的梯度材料分别经过33次和52次后未出现宏观裂纹,证明随着材料纵向成分梯度的减小,热应力的影响也减小,从而使制得的材料具有优良的耐热疲劳和耐热冲击性能。张国兵等[14]也用同样的方法制备了B4C/C FGM。由图3可以看出,随着B4C含量的增加,材料的抗氧化性能增强;另外,研究发现材料的密度、强度、电阻率等均呈现单调递增的趋势,同时FGM整体表现出低密度和高弯曲强度的特征。

2.4 激光熔覆法

激光熔覆法是将设计好的粉末混合后,通过喷嘴喷至基体表面,然后通过改变激光功率、光斑尺寸和扫描速度加热粉体,粉末温度迅速升高并在基体表面形成熔池,在此基础上通过改变粉末的组成获得梯度涂层。Y T Pei等[16]制备了基体为Ti6Al4V、增强体为SiCp的功能梯度材料层。从图4(a)中可以看出,在材料表面SiCp粒子分布比较均匀;FGM截面图(图4(b))中基体为Ti6Al4V,颗粒为SiCp,可以看出SiCp的分布呈梯度变化,在靠近材料表面的区域SiCp颗粒分布密度明显较大。与等离子喷涂类似,激光熔覆也是采用大功率热源对材料进行加热,使其在较短时间内熔化,产生冶金结合来提高结合力。但材料的熔化也促进了晶粒的长大和再结晶,加速了材料的氧化,恶化了材料固有的性能,使密度较大的材料沉积到熔池底部,加速了材料内部的均匀化,使得到的材料成分混乱。可见,选择合理的材料体系和正确地控制熔池温度在激光熔覆中至关重要。

2.5 离心铸造法

离心铸造法是利用在铸造过程中纵向旋转模具,在产生的离心力的作用下利用不同材料组元的密度差异实现对粉末或料浆不同密度组分之间的分离,使凝固后的成分组织呈现变化来制备FGM。目前用该方法已成功制备了Al3Ti/Al[17]和Al2O3/Ni[18]FGM。离心铸造法制备FGM的关键在于正确了解粒子的沉降规律。同种粉末沉降时,颗粒大的沉降快;不同种粉末沉降时,粒度大且密度大的沉降快,因此可以通过控制料浆的粘度和固相粒子含量来控制粒子的沉降行为。研究表明,随着料浆中固相含量的增加,料浆稳定性提高,坯体密度增加,烧结后孔隙率减小;但是当固相含量超过一定量时,料浆的流动性变差,从而形成孔隙。粘结剂的影响也比较相似,随着粘接剂含量的增加,料浆流动性提高,孔隙率减小;当超过一定含量时,颗粒聚结成团,又会导致孔隙率提高[18]。

2.6 气相沉积法和电沉积法

气相沉积法是通过化学反应或物理加热的方法控制弥散相的浓度在厚度方向上实现组分的梯度化,这样的弥散相沉积在基体上可得到薄膜梯度材料。电沉积法是利用直流电镀层技术,在基体上沉积有梯度的金属材料的一种方法。气相沉积法只适用于制造薄膜材料,而且膜的厚度通常小于1mm[19],而电沉积法通常产生化学污染,沉积速率低,因此,这2种方法在实际应用中都比较少见。

3 功能梯度材料的应用

功能梯度材料着眼于材料内部结构和组织的不均匀性,通过金属、合金、陶瓷、塑料等无机物和有机物的复合,在许多领域都有很广泛的应用。目前研究得比较多的FGM体系有SiC/C、Ni/Al2O3、NiCrAlY/ZrO、Al/SiC等[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22]。表1[20,21,22]列出了FGM在各个行业中的具体应用。

4 功能梯度材料的发展方向

(1)性能评价方面

对于常规的工程材料,在性能测定上一般认为是均匀材质,只有在特殊要求下才考虑材料的各向异性;对于FGM,它的组成和性能是呈梯度变化的,用常规的测试方法失去了实际意义,而国内外也没有建立统一的标准,它已成为制约FGM发展的因素之一。

目前FGM的性能大多建立在与普通材料(如机体材料)对比的基础上,因此选择适合FGM的检测手段和建立统一的评价体系显得尤为重要。性能评价主要包括:①热性能评价,包括热应力缓和特性评价、热疲劳特性评价、隔热性能评价、热冲击性能评价[23]。②其它性能评价,如FGM的耐磨、耐腐蚀、电磁、耐辐射等性能的评价方法也值得研究和探索。

(2)制备工艺方面

常规的制备方法一般只能制造尺寸小、形状简单的FGM。开发和应用新的制备技术,如仿生法、微波合成与烧结法、分子自组装法[24]、无压浸渗法、超分子复合法[25]、快速成型法、形变与马氏体相变法等,深入研究电、磁、光、高能射线等对工艺的影响,为梯度材料的制备提供更广阔的途径。

(3)计算机模拟方面

根据材料实际的服役环境,使用计算机寻找合适的梯度材料体系并根据制备工艺选择合适的成分梯度,为新材料的研制提供理论依据;同时使用数值模拟软件对已经存在的梯度材料体系进行优化,包括影响材料整体性能的成分分布、应力分布等[26,27]。

(4)新应用方面

FGM的应用多种多样,除了上面所提到的,目前在假牙、眼镜等[28,29]方面都有新的应用。由此可见,积极拓展梯度材料在各个领域的应用具有重要的现实意义。

5 结语

篇4：梯度功能材料

关键词：功能梯度材料；焊接；翼轨

1 概述

随着我国高速重载铁路的快速发展，列车运行速度、承载重量和密度不断增加，致使线路上使用的合金钢组合辙叉寿命大幅降低、更换周期大幅缩短，而造成合金钢组合辙叉寿命降低的主要原因是由于翼轨磨耗严重而造成下道，目前所使用的辙叉翼轨大多是用在线淬火钢轨制成，经现场使用，由于其耐磨性能不高，导致辙叉使用寿命较短，更换频繁，与辙叉设计要求通过运量2亿吨，甚至3亿吨的目标相差较大，不仅增加了运营成本，大大增加了线路的养护维修工作量，而且使运输组织和效率也受到了很大影响。

因此，将功能梯度材料技术应用到翼轨上不仅可有效解决以上问题，延长翼轨使用寿命，从而提高合金钢组合辙叉整体使用寿命和更换周期、提高运输效率，而且具有较好的经济效益和市场前景。

2 选题理由

2.1 功能梯度材料简介

功能梯度材料是指在一个构件的不同部位需要适应不同的性能要求时，其构件不同部位的材料也与之相适应地有所不同，也就是构件的不同部位因不同的使用要求而具有不同的化学成分、不同的性能特点及不同的组织结构，二者衔接部分则具有连续变化的性能状态及显微组织结构，使之成为一个有机结合的整体。

2.2 功能梯度材料在翼轨上的应用

现有合金钢组合辙叉的结构，由于有害空间的存在，使用中形成翼轨局部区域对车轮的支承面要比钢轨正常的支承面小得多，也就是其单位面积上所承受的车轮压力将远大于钢轨，因此，要保证翼轨具有较长的使用寿命，就需要相应地提高该区域翼轨工作面的硬度和强度。因此，本课题的任务就是在翼轨顶面复合一层功能梯度材料耐磨层，以提高其工作层的硬度和强度，增强翼轨的强度和耐磨损性能，从而延长其使用寿命。

如上所述，由于翼轨工作时， 不仅产生与车轮的磨擦， 而且还有车轮传递过来的挤压力和撞击力。因此，对翼轨这样一个由钢轨钢制成的细长杆件而言，不仅要有较高的抗磨损性能，同时还要具备良好的抗冲击能力。功能梯度材料耐磨翼轨的研发，目的就是利用堆焊焊接工艺，在翼轨的工作面形成一定厚度，且具有较高硬度（设计硬度予计为HRC 42～45）和良好冲击性能（Aku>15）的耐磨层。图1所示即为在翼轨工作面上，采用梯度材料复合后的工作断面。

3 研究内容及试制过程

3.1 梯度材料合金系统的设计、试验

对于耐磨材料而言，提高耐磨性的必要途径是提高材料的硬度，而材料的硬度又与其化学成分和金相组织有关。因此，梯度材料合金系统的设计，首先是选择添加能导致材料硬化的合金元素，如Mn、Cr、Mo、Ni，而同时必须考虑这些元素加入量对金相组织稳定性的影响，通过试验确定合金系统设计见表1：

金相组织：基体钢轨母材仍保持细珠光体组织，复合层中无淬火马氏体组织。

3.2 电弧焊梯度焊接

由于梯度材料与翼轨工作面复合的工艺采用电弧焊接实现，电弧热量较高，且加热面积比较集中，无论成分或温度的变化，都有可能导致组织以及硬度的变化，因此，在制定工艺的时候，课题组对如何保证整个复合层成分、温度（包括加热温度和冷却速度）的均匀性做了大量实验，最终均通过设备自动控制功能得以实现。

在装备的设计中，除必须保证工艺实施上的要求外，还应能最大限度地减小翼轨在处理过程中的变形和残余应力，以免在随后的调直和矫正时出现开裂（本论文中以制作工艺为主，焊接设备不在此赘述）。

3.3 梯度材料的热处理

目前线路上合金钢组合辙叉中的翼轨、叉跟轨采用在线热处理钢轨制作，其硬度在HRC36左右，与合金钢心轨硬度HRC38～42有一定差别，且线路上因翼轨磨耗超限下道的合金钢组合辙叉居多。为此我们采用功能梯度材料对翼轨进行强化，并通过优化整体钢轨淬火工艺，提高翼轨工作面的硬度和强度使翼轨轨头硬度达到HRC42～45，这样不仅可延长翼轨使用寿命，而且可提高辙叉的整体寿命。

课题组在现有钢轨中频淬火生产线和先喷风后喷雾的热处理工艺的基础上，通过调整优化工艺参数，反复进行淬火试验，即调整小车变频频率、加热后的冷却风压、水量，使淬火翼轨轨头硬度达到HRC42～45，并进行取样检测，确定了提高钢轨轨头淬火硬度的工艺参数，见表2：

课题组利用表中工艺参数处理的钢轨试件取样，委托中国铁道科学研究院金属及化学研究所进行了检测，检测的轨头硬化层硬度、深度和金相组织满足TB/T1779标准要求，且硬度达到了预期指标。

3.4 功能梯度材料处理翼轨的机械加工工艺

确定功能梯度材料翼轨的制作工序和机加工工艺如下：

3.4.1 下料：用卷尺量取钢轨尺寸4855mm，然后锯切，锯切端面垂直度不大于1.0mm。

3.4.2 钻孔：钢轨定位后用75鱼尾孔钻模板钻出趾端鱼尾孔，直径31mm三个通孔。

3.4.3 划线、顶弯：按照辙岔开向划出相应轨头、轨底铣削位置，按辙叉开向顶弯，弯折段要圆顺。

3.4.4 铣轨底：按划线位置铣削轨底。

3.4.5 铣工作边轨底：按划线位置铣削工作边轨底。

3.4.6 铣轨头：按划线位置铣削轨头。

3.4.7 扭轨底坡：在钢轨扭转机上扭转翼轨跟端170mm范围内1：40轨底坡。

3.4.8 垂直调弯：在调直机上顶出钢轨垂直弯5mm，并保证轨底各直线段的直线度不大于1.5mm。

3.4.9 质量检验按《合金钢组合辙叉质量检验实施细则》的要求检测。

3.5 功能梯度材料翼轨的探伤检查

翼轨处理完成后进行磁粉和超声波探伤检查，均无异常。

3.6 梯度材料翼轨加工工序及技术要求

梯度材料翼轨加工工序及技术要求见表3。

根据确定的淬火工艺参数课题组试制了一组高强度、高硬度的75kg/m翼轨并进行了整组辙叉的试制组装，以满足重载线路大轴重、高密度和大运量运营状况下对合金钢组合辙叉使用寿命的需求。

4 功能梯度材料的性能检测

为了验证功能梯度材料的力学性能，课题组按照铁标相关规定，进行了力学性能取样送检，经中国铁道科学研究院金属及化学研究所检测，结果如下。

4.1 力学性能

4.1.1 拉伸性能（均符合要求），见表4。

4.1.2 冲击性能（均符合要求）。

采用夏比U型缺口冲击实验法，环境温度为20度，结果见表5。

4.2 经复合梯度材料耐磨层工艺处理后钢轨的整体落锤性能试验

为保证功能梯度材料耐磨翼轨运行的安全性，我们对经梯度材料复合工艺处理后的6根钢轨分别按TB/T 2344-2012 （落锤高度9.1m）和TB/T 1632.2-2005 （落锤高度5.2m） 标准要求委托中国铁道科学研究院金属及化学研究所进行了整体落锤性能试验，试验结果全部达标。由此可见，功能梯度材料翼轨的耐磨层复合工艺过程对钢轨总体性能不会造成重大影响。

综上所述，经过梯度材料合金系统的设计、试验；热处理工艺试验；机械加工工艺试制，生产出来的新型翼轨，经中国铁道科学研究院金属及化学研究所检测，性能优越，均符合铁总相关标准要求，而且具有较高的硬度值和较好的耐磨性能。2015年7月通过了北京交通大学、铁道科学研究院、太原铁路局工务处、物资处、总工室和太原、太原南、原平、大同、茶坞工务段组织的试验评审会，得到了专家一致认可。

5 结束语

采用与合金钢心轨性能相匹配的功能梯度材料进行强化后的翼轨，预计寿命为普通翼轨合金钢组合辙叉的1.5-2倍，从而使合金钢心轨的使用潜力发挥到最大，这样不仅可有效解决线路车流密度加大，与维护天窗点减少的刚性矛盾，大大减少了养护维修工时和维修成本，而且可减少因更换辙叉造成对运输效率的影响，降低运营成本，提升经济效益。

此外，梯度材料处理翼轨技术方案还可以运用到旧叉心修复上，对于因翼轨磨耗，心轨依然完好而下道的辙叉，运用该技术对翼轨进行强化修复后，可以重新上道。实现修旧利废，节支降耗的目的，同时该项技术在其他易磨损构件领域也可深入探讨，具有长远良好的经济效益。

参考文献：

[1]徐长渝.翼轨加强型合金钢辙叉的结构与工艺性研究[J].山东铁道，2013（1）.

[2]李长虹.功能梯度材料在道岔中应用的可能性[J].北方交通大学学报，2000（4）.

[3]蒋昕.大秦铁路用75kg/m钢轨18号翼轨镶嵌式合金钢辙叉的结构设计和使用[J].铁道标准设计，2013（10）.

篇5：梯度功能材料

SiC/Al梯度功能材料紧凑拉伸试件裂纹扩展分析

SiC/Al梯度功能材料各梯度层由不同体积浓度的陶瓷和金属组成,由于材料组分梯度变化,克服了双材料界面的应力突变问题,获得了优异的使用性能.本文首先采用激光云纹干涉法,对具有四个梯度层的.SiC/Al梯度功能材料紧凑拉伸试件在机械荷载作用下的拉伸实验位移场进行记录,进而获得紧凑拉伸试件裂纹口位移P-V曲线以及材料断裂韧度实验值;然后根据层合梯度功能材料理论分析模型,建立FGM紧凑拉伸试件的渐近分网有限元平面应变模型,采用通用有限元软件的单元删除模块对试件模型进行裂纹扩展单元的应变模拟分析,从计算所得的裂纹尖端应变图像分析得出梯度材料试件的裂纹扩展规律.

作 者：程军 王淑军 CHENG Jun WANG Shu-jun 作者单位：同济大学,航空航天与力学学院,上海,92刊 名：力学季刊 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE QUARTERLY OF MECHANICS年，卷(期)：200728(4)分类号：O346关键词：云纹干涉法 功能梯度材料 断裂韧性 单元删除模型 渐近式分网 无量纲化裂纹扩展半径

篇6：梯度功能材料

本文对梯度正则化方法(Gradient-Regularization Method)作了进一步的研究,给出一种建立了梯度正则化迭代算法和选择正则参数的简明实用方法.文中椭圆算子方程参数识别算例不仅说明了GR法具有广泛的适用性和一定的.抗噪音能力,而且收敛速度较快,具有较大的收敛范围.

作 者：刘迎曦 王登刚 张家良 李守巨 路振刚 于亚军 作者单位：刘迎曦,王登刚,李守巨(大连理工大学工程力学系,大连,116023)

张家良(辽宁工学院,锦州,121001)

路振刚,于亚军(白山发电厂,桦甸,132400)

篇7：功能材料论文

摘要：综述了纳米复合涂层的制备工艺,包括热喷涂、纳米复合镀、纳米粘结粘涂技术、纳米复合涂料技术等;介绍了纳米复合涂层在提高材料力学性能、耐腐蚀性、光学、电学、磁学等方面的性能研究,探究了纳米复合涂层在科技界和产业界的应用。展望了纳米复合涂层的发展、关键词：纳米复合涂层;制备;性能;研究进展 自从八十年代初，德国科学家提出纳米晶体材料概念以来，世界各国科技界和产业界对纳米材料产生了浓厚的兴趣和广泛的关注，到了90年代，国际上掀起了纳米材料制备和研究的高潮。纳米材料具有特殊的结构和处于热力学上极不稳定的状态，表现出有别于传统材料的不同性能，正是由于纳米材料这种独特的效应，从而使纳米材料具有一系列优异的功能特性。随着相关应用基础研究的不断深入和相关技术的不断完善，纳米材料科学与技术已经开始进入应用研究阶段。纳米材料的合成与成形技术的发展和成熟，尤其是纳米材料与表面技术的结合，对于纳米材料和表面纳米技术的应用和产业化起着至关重要的推动作用[1-3]。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或它们作为基本单元构成的材料[1]。由于量子尺寸效应、小尺寸效应、表面界面效应、量子隧道效应等,使纳米材料在力学性能、电学性能、磁学性能、热学性能等方面与传统的固体材料有许多不同的特殊性质,成为当今材料科学的前沿和一个开拓性的新领域,有着极为广泛的应用前景[2]面工程是21世纪工业发展的关键技术之一,是先进制造技术的重要组成部分。表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的新兴学科,它的最大优势是能够以多种方法制备优于本体材料性能的表面功能涂层,赋予零件防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能[3]，纳米材料与传统的表面涂层技术相结合,可得到纳米复合涂层。纳米复合涂层是由两相或两相以上的固态物质组成的薄膜材料,其中至少有一相是纳米相,其他相可以是纳米相,也可以是非纳米相[4]。纳米复合涂层集中了纳米材料的优异特性,因而具有更好的性能,可以在更广阔的领域应用。

纳米复合涂层的制备

1纳米热喷涂技术热喷涂技术是材料表面强化与保护的重要技术,它在表面技术中占有重要地位。热喷涂是利用一种热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态,并通过气流吹动使其雾化并高速喷射到基材表面,以形成喷涂层的表面加工技术〔’〕。纳米微粒用于热喷涂技术中备的纳米复合涂层与传统涂层相比,在强度、韧性、耐蚀、耐磨、热障、抗疲劳等方面有显著改善,而且部分涂层可以同时具有多种性能

制备纳米复合涂层的热喷涂方法包括超高速火焰喷涂、真空等离子喷涂、双丝电弧喷涂等。李春福困等研究了对A1T3粉(纳米1A20。与ITOZ混合物,ITO:质量分数为13%)在等离子喷涂中的应用,将经过超声乳化的纳米微粒与A1T3粉末混合,搅拌均匀,在适宜的温度下烧结,制成适于等离子喷涂用,利用此粉制备的纳米复合涂层的流平性能好,元素分布均匀,通孔率减小,涂层残余应力降低,结合力提高,内部微裂纹减小,涂层耐磨、耐蚀性能明显提高。丁红燕等川将分散好的纳米1A20。与F102粉(镍、铬、硼、硅自熔性合金粉)进行球磨混合制备了混合粉,再利用氧乙炔焰热喷焊工艺制备了纳米IAZ03作为弥散增强相的纳米复合涂层,纳米微粒在涂层中分散均匀,涂层的耐磨性明显增强。tSewart等「`习用高速火焰喷涂(Hvo)F制得了WC一co纳米复合涂层,在涂层组织中可以观察到,纳米微粒散布非晶态C。相中,结合良好,涂层显微硬度明显增加。Kear等〔9」对涂层硬度增加的原因作了进一步解释。PilaS等[’oJ也利用HvoF制备了ere一NICr纳米复合涂层,并对其力学和摩擦性能进行了研究,纳米微粒在涂层中分布均匀,涂层的显微硬度和弹性性质显著提高,耐磨性增加 用热喷涂技术所得到的纳米复合涂层的结合强度、硬度、耐磨和耐蚀性等都较传统涂层高,拓宽了这种技术在工业领域的应用。但如纳米微粒在涂层的分布、涂层致密度的提高及如何制备优良的纳米结构涂料等问题还需要进一步研究。2.物理气相沉积技术

蒸发和溅射是真空物理镀膜的两种主要工艺，其沉积物的全部或部分由物理手段直接提供：前者使镀料通过热蒸发而获得，即蒸发镀膜；后者是由离子轰击靶材获得，即溅射镀膜。产生溅射效应的离子来源于工作气体放电，主要是辉光放电。从靶材溅射出来的粒子具有较高的动能，有利于提高涂层的附着力和致密度[4]。溅射镀膜的研究可追溯至19世纪中。20世纪50年代，随着高频溅射技术的突破，溅射镀膜得到了迅速发展，现有两极溅射、三极溅射、反应溅射、磁控溅射、双离子溅射和中频溅射等多种沉积工艺。1964年，Mattox在前人研究的基础上推出离子镀系统，用于在金属底材上镀制耐磨和装饰等用途的涂层[6]。离子镀是指镀膜与离子轰击膜层同时进行的物理气相沉积技术。离子轰击可以改善膜层与基体之间的结合强度，改善膜层的结构(例如细化晶粒和提高致密度)和性能。事实上，离子镀是以蒸镀和溅射这两种PVD技术为基础，再加上离子轰击而衍生的次级技术 3.离子镀技术

目前，工业应用的离子镀技术主要是以蒸镀为基础的阴极电弧离子镀[7]。通过以靶材(镀料)作为阴极，真空室作为阳极并接地，进行弧光放电。弧光放电仅在阴极(靶材)表面的弧斑处进行，其温度高达8000~40000K。高温下弧斑喷出的物质有电子、离子、原子和液滴。其中，离子占30%~90%。将工件加上例如100~200V负偏压，吸引离子向工件方向运动，即可实现离子镀。电弧离子镀在20世纪80年代在美国实现产业化，并沿用至今。最近采用脉冲偏压技术，导致镀膜过程远离平衡态特性，有利于提高涂层的结合强度，降低内应力。这种技术具有沉积速度快、附着力强、适合工业化生产等许多优点，但最大的问题在于靶材喷出的液滴会影响涂层的表面光洁度和均匀性。1985年，Window等在研究溅射技术时，提出增大普通磁控溅射阴极的杂散磁场，从而使等离子体范围扩展到基体附近的非平衡磁控溅射阴极[8]。普通磁控溅射阴极的磁场将等离子体紧密地约束在靶面附近，基体(工件)附近的等离子体很弱，只受到轻微的离子和电子轰击。而非平衡磁控溅射阴极的磁场可将等离子体扩展到远离靶面处，使基体浸没其中。这有利于以磁控溅射为基础来实现离子镀，并使磁控溅射离子镀与阴极电弧蒸发离子镀处于竞争和互补的状态。英国TeerCoatings公司从20世纪90年代开始推出非平衡磁控溅射离子镀的一系列设备，用于研发和生产[9-10]。与电弧离子镀相比，溅射离子镀克服了涂层表面粗糙的难题，而且在涂层化学组分上更易于控制和调节，是目前较为新颖的一种硬质涂层合成技术。利用离子镀技术实现产业化的硬质涂层有TiN系列(包括TiC和TiCN等)硬膜、TiAlN抗高温氧化膜、CrN耐磨耐腐蚀膜、ZrN高温高强膜以及类金刚石DLC)和MoS2固体润滑膜等，它们已广泛用于刀具、模具和机械零部件等领域[11-13]。这些硬涂层的硬度一般为15~30GPa(注：纯金刚石硬度为100GPa，石英为10GPa)。由于单一涂层材料往往难以满足提高综合性能的要求，因此涂层成分将趋于多元化、复合化。例如TiN系列硬质膜正向纳米多层膜发展，其中包括TiN/TiCN、TiN/TiAlN和TiN/CrN等纳米多层膜。另一种类型是碳系列硬质膜及其复合涂层，包括DLC、CNx及其多层复合涂层。此外，还有TiN系膜与碳系硬质膜的复合涂层(如TiN/CNx)等。纳米多层涂层具有可控的一维周期结构，交替沉积的单层膜厚度一般不超过5~15nm。一般认为，纳米多层涂层的高硬度主要是由于层内或层间位错运动受阻所致。进一步的研究表明，纳米多层涂层的性能与涂层的周期膜厚有很大关系[14]，当在形状复杂的刀具或零件表面沉积纳米多层膜时，很难均匀控制各层的膜厚，同时在高温工作环境下，各层间的元素相互扩散也会导致涂层性能下降。

纳米复合涂层的性能研究

力学性能

纳米粒子的加人对于传统涂层力学性能有很大的改善。纳米微粒作为弥散相分布在涂层中,增强了涂层与基体间的结合,提高了涂层的耐磨性。纳米iToZ分散在iN一P镀液中利用化学镀制备的纳米复合镀层,镀层的硬度大于80HV,硬度的增加提高了镀层的高温抗氧化能力。利用电沉积的方法,将纳米iN微粒加入到SIC中,在纳米微粒添加到3%时,复合涂层的显微硬度较传统涂层提高了2倍[31] 蒋斌等[32]利用电刷镀技术制得的纳米SiO2/Ni复合涂层的抗疲劳性得到很大的提高,在不同的作用力下,纳米复合涂层的抗疲劳性能都比未添加纳米微粒时增加;经过退火处理后,涂层的抗疲劳程度更高。张而耕等人[33〕向PsP中分别加人纳米级SiO2和微米级SiO2,对两种复合涂层的力学性能进行了对比果表明,纳米复合涂层的附着力和耐冲击性都较微米级粒子的好,耐冲蚀磨损性能也有很大的提高,约为普通涂层的26倍,冲蚀磨损后涂层表面较为光滑,无裂纹和凹坑。将改性的纳米微粒加入热处理过的聚合物中,由于聚合物结晶度的改变及改性纳米微粒的作用,提高了纳米复合涂层的耐冲击性和热稳定性【34】，纳米SiO2对环氧树脂的改性也有显著效果,添加纳米微粒之后,复合涂层的拉伸强度提高了26%,无缺口冲击强度提高了30%[35〕。iN纳米微粒添加到聚氨酷中,复合涂层的摩擦系数减小,耐磨性提高[’36〕。环氧树脂与聚醋的混合物经过纳米Al2O3的改善,在纳米微粒添加到8%时,冲击强度较未加纳米微粒的混合物及纯环氧树脂分别增加了110%、400%,拉伸强度则分别增加了4%、165%;同时,涂层的介电性和耐热性也得到提高[37] 光、电、磁学性能

无机材料TiO2:、ZnO等具有很强的光催化功能,可利用紫外线或日光将有机物氧化为CO2和水。将纳米TiO2:添加于涂料中,制成光催化涂料,利用阳光分解环境污染物,达到减少污染、保护环境的目的利用TiO2:的透明性、紫外线吸收性,将纳米TiO2:金属闪光材料与铝粉颜料或珠光颜料等混合用在涂料中,能产生随角异色效应,可制作汽车金属闪光面漆,这种漆还具有极强的附着力和耐酸碱性能,在高档汽车涂料、商标印刷油墨、特种建筑涂料等具有很大的应用市场

纳米复合涂层因纳米微粒的导电性可制成抗静电材料。诸如纳米微粒Fe2O3、TiO2、Cr2O3、ZnO等具有半导体特性的氧化微粒制成具有良好静电屏蔽性能的涂料,而且可以调节颜色。在化纤品中加人金属纳米微粒可以解决其静电问题,提高安全性[[38] 米金属微粒具有较大的比表面,而且具有较好的吸收电磁波的特性,利用这个特性可以开发纳米隐身涂料。纳米磁性材料特别是类似铁氧体的纳米磁性材料加人涂料中,既有优良的吸波特性,又有良好的吸收和耗散红外线的性能,加之相对密度小,在隐身方面的应用有明显的优越性。采用单磁畴针状微粒制备的纳米复合涂层,具有单磁畴结构,高矫顽力,用它做磁性记录材料可以提高记录密度,提高信噪比。纳米复合涂层的应用

近年来，不少研究机构采用PVD(包括磁控溅射)技术制备纳米复合涂层，例如nc-TiN/a-Si3N4、nc-TiN/BN和nc-TiAlN/a-Si3N4等。初步研究结果显示，纳米复合涂层在金属加工特别是干切削中有良好的应用前景。纳米复合涂层技术之所以能够起到这种重要作用，根本原因在于材料的纳米尺寸效应，即当晶粒尺寸进入纳米尺度范围(<10nm)时，物质显示出与常规材料截然不同的特性(例如超高硬度)[16-17]。纳米复合涂层及其在干切削加工中的应用是目前高性能刀具的研究开发热点。硬质涂层的应用可减小刀具与工件的摩擦，降低刀具在切削中的磨损，延长刀具的使用寿命。此外，高精度数控机床的应用和普及，绿色制造理念的提出，各种高硬度、高韧性的难切削材料的加工，使干切削技术愈来愈受到重视，同时也对刀具涂层技术及涂层材料提出了更高要求。而纳米复合涂层的发展顺应了现代机械加工对高效、高精度、高可靠性和环保的需求。迄今为止，纳米涂层在制造业上的应用已初见成效[18]。例如，瑞士Platit公司利用LARC®(LateralRotatingARC-Cathodes)技术开发的新一代nc-TiAlN/a-Si3N4纳米复合涂层以及其他纳米多层膜，其高温硬度十分突出[19-20]；德国CemeCon公司推出了新的纳米结构(Supernitrides)涂层[21]，这类涂层将硬质涂层的抗磨损性能及氧化物涂层的化学稳定性结合起来，在应用中表现出极佳的热稳定性；Balzers和Teer等公司在硬质涂层表面上再镀上固体润滑纳米涂层如WC/C和MoS2/Ti，发现刀具的干切削效能得到进一步提高[22-23]。结论

将纳米材料与表面涂层技术相结合制备出的纳米复合涂层较传统涂层有更大的优越性。纳米复合涂层均匀、结构致密,有更好的力学性能如耐磨性、硬度、抗氧化性和耐腐蚀性等。利用纳米材料的不同性质,在其他领域中,纳米复合涂层也展示其诱人的前景,利用纳米微粒光催化作用制备的纳米复合涂层用于室内、医院及某些公共场合可以产生很好的抗菌、杀菌及自清洁功能;纳米微粒特有的吸波能力,使得复合涂层广泛应用于飞机、导弹、军舰等武器装备上；利用纳米复合涂层中纳米微粒对环境的敏感性,可望制备出小型化、多功能、低能耗传感器,如红外线传感器、压电传感器、光传感器等。用分子自组装技术已经制备了很好的双疏性单分子膜,具有很好的摩擦学性能〔43,〕;将TiO2纳米线与聚合物单体在玻璃片上用浸涂法成膜,再用紫外光照射引发原位聚合,得到TiO2:纳米线弥散在高聚物的纳米复合膜〔44,这种纳米复合膜具有良好的减摩功能[45];同时,还利用原位复合技术制备了含氟聚合物一纳米TiO2/聚丙烯酸丁醋纳米复合膜及摩擦性能复合涂层,涂层具有很好的疏水效果[46]。

纳米复合涂层的研究还处于刚刚起步阶段,有很多问题有待于进一步研究,如纳米微粒表面修饰和包覆、纳米功能涂层的制备、纳米微粒与表面涂层技术的结合等方面。在纳米材料的制备合成技术不断取得进展和基础理论研究日益深人的基础上,纳米涂层将会有更快、更全面的发展,制备方法也在不断得到创新和完善,其应用将遍及多个领域。

参考文献

篇8：边界元法分析功能梯度涂层材料

一般说来,构件中材料成分和性能的突变会导致明显的局部应力集中[3]。但如果从一种材料逐步过渡到另一种材料,其应力集中就会大大地降低,材料参数如何过渡就成了功能梯度材料涂层的基本设计问题,特别是在选择涂层的材料以及涂层在整个结构中厚度的比例问题。目前一般采用试错法[4,5],这种方法周期长、成本高,有必要寻找一种数值模拟方法。

现有的涂层结构数值分析方法尚不成熟。由于涂层一般都较薄,用有限元实体元分析时,单元的剖分必须协调,以致单元数和自由度数非常大,计算工作量惊人甚至难以为继[6]。如果采用有限元板壳单元,单元本身不能很好反映沿板壳法向的应力,特别是层间的界面应力和横向剪切应力,这些参数正是分析涂层界面裂纹产生扩展和涂层剥落的主要依据[7]。

边界元法仅需在边界剖分单元,且几乎奇异积分障碍已被消除[8],用边界元法分析涂层计算量小且精度高。本研究将采用边界元法来分析功能梯度涂层结构,计算结构内点的应力和涂层/涂层以及涂层/基体的交界面的应力。通过调整涂层的弹性常数达到削减交界面上应力不连续现象,减小最大应力值,为设计合理的功能梯度涂层提供借鉴。

1涂层结构中的边界元法

若忽略体力,弹性力学问题内点位移和应力边界积分方程分别为

ui(y)=∫Γ[U*ij(x,y)tj(x)-T*ij(X,y)uj(x)]dΓ (1)

σik(y)=∫Γ[W*ikj(x,y)tj(x)-S*ikj(s,y)uj(s)]dΓ (2)

方程中y为源点、x为场点;uj,tj分别为边界Γ上的位移和面力分量;积分核U*ij(x,y),T*ij(x,y),W*ikj(x,y)和S*ikj(x,y)(i,j,k=1,2)为基本解,它们的表达式一般的边界元法书籍中都可以查到。对式(1),令源点y趋于边界Γ,则得到位移边界积分方程

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式中Cij(y)为位移奇异性系数。

对涂层结构,首先在涂层域和基体域分别列位移边界积分方程(3),然后利用涂层(上标为f)和基体(上标为s)交界面上位移相等、面力连续的条件

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将涂层域和基体域内的边界积分方程联合起来,可以求出边界和交界上的所有未知量。再将所求得的边界点位移、面力值代入相应域的内点应力边界积分方程(2),可以求出任意内点的应力,这就是边界元法分析涂层结构的基本过程。

在对式(2-3)进行数值计算时,将离散的边界单元从整体坐标系oxy转换到局部坐标系oξ。经观察发现,在每个离散单元上,式(2,3)中的积分可以归结为以下三种形式

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式中:P1(ξ),P2(ξ),P3(ξ)为局部坐标 ξ的多项式形式,r=|x-y|为场点到源点的距离。

边界元法分析功能梯度涂层材料时,根据不同的梯度层将涂层划分为若干个子域。涂层本身就非常薄,剖分后每层就更薄了。因而边界元法计算时源点和场点的距离r→0,则式(5)积分核的分母趋于零,使得I1和I2存在几乎强奇异性、I3存在几乎超奇异性,常规的高斯积分计算式(5)将失效,这就是常规边界元法不能分析功能梯度涂层的原因。

文献[8]通过反复的分部积分运算,给出了式(5)的解析算式,无需数值积分,克服了几乎奇异积分的难题,使得边界元法可以分析含涂层的薄域结构。

2各向同性涂层和功能梯度涂层比较

下面用处理了几乎奇异积分的边界元法来计算在赫兹压力下涂层构件内的应力分布。让涂层取各向同性材料和功能梯度材料两种情形来比较,研究功能梯度材料的优势所在。

如图1所示,涂层结构长度为L=60mm,厚度为t=60mm,涂层厚度为tf。下底边固定,上边受赫兹压力p(x)=p0(1-(x/a)2)1/2作用,其中最大载荷集度为p0=1MPa,荷载作用区域的半宽a=1mm,按平面应变问题考虑。涂层的弹性模量和泊松比用Ef和υf表示,基体的弹性模量和泊松比用Es和υs表示。

计算沿结构对称轴x/a=0及x/a=0.5,1.0,2.0处的Tresca应力

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同时观察涂层和基体交界面上τ的变化,其中,σ1和σ2分别为第一、第二主应力。

2.1各向同性涂层

计算中在各向同性涂层结构中共划分640个节点320个二次等参元。

令涂层与基体的材料参数分别为:Ef=390MPa、υf=0.28,Es=160MPa、υs=0.2。不同涂层厚度t*时计算得到的Tresca应力τ沿着结构对称轴的变化如图2所示。从图2中可以看出,在涂层厚度t*=0.5时,τ的最大值为0.36MPa出现在涂层和基体交界面上,同时交界面上Tresca应力产生了较大的不连续,这表明τ在涂层内有比较大的梯度。在涂层厚度t*=0.1,1.0,2.0时,亦有同样的现象发生。

图3给出了t*=0.5时,涂层和基体内Tresca应力的等值线图,从图中可以看出最大的Tresca应力等值线为τ=3.0MPa,这条等值线除了出现在赫兹压力中心x/a=0下的基体内,同时也出现在赫兹压力边缘x/a=±1下方的涂层内。

图4描绘的是距赫兹压力中心不同距离处的Tresca应力值τ,由图可以看出接触中心下方交界面上τ的导数不连续性更加突出,这表明赫兹压力接触中心下方的涂层和基体交界面上更易发生裂纹破坏。

2.2功能梯度涂层

取涂层厚度t*=0.5,将其等分为五层,令各层的材料参数按一定的规律变化来构造功能梯度涂层。设基体的弹性模量取160GPa,最外层涂层的弹性模量为390GPa,功能梯度涂层各层的弹性模量自基体向外表面按图5所示的指数规律变化。基体的泊松比υs=0,各涂层泊松比皆取υf=0.28。边界元法在功能梯度涂层结构中共划分了2160个节点1080个二次等参元。

图6给出了赫兹压力下功能梯度涂层和基体内点的应力等值线图,同图3采用各向同性涂层内点应力等值线比较,赫兹压力边缘x=±a下涂层内的两个τ=0.3MPa的应力等值线消失了。

图7描绘的是距赫兹压力中心不同距离处的Tresca应力值τ,同各向同性涂层结果图4比较,在功能梯度材料涂层内主要的变化是赫兹压力边缘下(x/a=1处)τ值变化梯度趋缓,τ的最大值被削减,同时最大值的位置向涂层表面移动。在涂层和基体交界面上,Tresca应力分布的不光滑幅度有所降低。由此可见,功能梯度涂层可以减小涂层和基体交界面上发生裂纹破坏的可能。

3结论

(1)引入几乎奇异积分的解析算法,使得边界元法可以成功分析涂层结构。并模拟了在赫兹压力下涂层构件内Tresca应力的变化,通过应力等值线的形式给出了数值分析的结果。

(2)对于各向同性涂层,取基体的弹性模量为160MPa,涂层的弹性模量为390MPa,在涂层和基体的交界面上容易发生破坏;采用功能梯度涂层后,将涂层细分为5层,基体的弹性模量仍取160MPa,最外层涂层的弹性模量取390MPa,中间涂层的弹性模量从基体向外表面按指数规律过度,这样构造成的功能梯度材料涂层使得Tresca应力在涂层和基体内都得到的削减。另外,在涂层和基体的交界面上的Tresca应力不光滑现象也得到的改善。

参考文献

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