梯度功能材料
發(fā)布時間：2021-11-08 13:29:18
梯度功能材料(functionally gradient materials,FGM) 是兩種或多種材料復(fù)合且成分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化的一種新型復(fù)合材料，是應(yīng)現(xiàn)代航天航空工業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域的需要，為滿足在極限環(huán)境下能反復(fù)地正常工作而發(fā)展起來的一種新型功能材料。它的設(shè)計(jì)要求功能、性能隨機(jī)件內(nèi)部位置的變化而變化，通過優(yōu)化構(gòu)件的整體性能而得以滿足。
組成結(jié)構(gòu)
從材料的結(jié)構(gòu)角度來看，梯度功能材料與均一材料、復(fù)合材料不同。它是選用兩種（或多種）性能不同的材料，通過連續(xù)地改變這兩種（或多種）材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其界面消失導(dǎo)致材料的性能隨著材料的組成和結(jié)構(gòu)的變化而緩慢變化，形成梯度功能材料。
關(guān)于FGM 的特點(diǎn)，可以從材料的組合方式來看，F(xiàn)GM可分為金屬/合金，金屬/ 非金屬，非金屬/陶瓷、金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷等多種組合方式，因此可以獲得多種特殊功能的材料。這是FGM的一大特點(diǎn)，F(xiàn)GM的特點(diǎn)也可以從材料的組成的變化來看，F(xiàn)GM可分為（1）梯度功能涂覆型，即在基體材料上形成組成漸變的涂層。（2）梯度功能連接型,即是粘接在兩個基體間的接縫組成呈梯度變化。（3）梯度功能整體型，即是材料的組成從一側(cè)向另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料。因而，可以說FGM具有巨大的應(yīng)用潛力，這是FGM的另一大特點(diǎn)。
發(fā)展前景
FGM的研究由材料設(shè)計(jì)、材料合成和材料性能評價(jià)三個部分組成。材料合成是FGM研究的核心，材料設(shè)計(jì)則是為FGM合成提供最佳的組成和結(jié)構(gòu)梯度分布，材料性能評價(jià)則是建立準(zhǔn)確評價(jià)FGM性能的一整套標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方法，依此標(biāo)準(zhǔn)對FGM進(jìn)行測試并將測試結(jié)果及時反饋給材料設(shè)計(jì)部門．三者緊密相關(guān)，相輔相成。目前材料設(shè)計(jì)多數(shù)采用逆設(shè)計(jì)系統(tǒng)。首先是按照對材料性能的要求和使用條件，然后查閱材料組成和構(gòu)造的知識庫，依據(jù)設(shè)計(jì)的基本理論，對材料的組成和結(jié)構(gòu)的梯度分布進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)時，一些新技術(shù)、新方法的應(yīng)用給FGM的研究增添了無窮的活力。例如：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)對FGM進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)已有詳細(xì)地描述。另外，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、有限元法，分形理論進(jìn)行FGM 的研究。例如據(jù)報(bào)道了采用德國SIS公司的Anqlisis圖象分析系統(tǒng)的)PRO 版本，測量了ZrO2/Ni系的梯度功能材料的水平面和垂直面的分形維數(shù)并初步建立了分形維數(shù)與宏觀性能之間的關(guān)系。根據(jù)分形理論，可以用材料的微觀結(jié)構(gòu)來表征材料的宏觀性能，即是分形維數(shù)定量表征梯度功能材料表面微觀形貌及其與性能之間的關(guān)系。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，這一方法將變得更為準(zhǔn)確、簡捷。采用直接觀察測試表面的分形特征用表面形貌來推斷其力學(xué)性能，可以省去煩瑣的性能測試，提高效率，降低成本。當(dāng)然，用分形理論來研究FGM 的性能還有待FGM性能數(shù)據(jù)的累積和分析方法的完善。
