功能梯度材料的十大特性

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：而功能梯度材料的成分和结构呈连续的梯度变化，能消除金属、陶瓷复合材料之间的明显界面，其力学、热学和化学性能等从材料的一侧向另一侧呈连续变化，从而可达到缓和热应力和耐热隔热的目的。又如图4-7所示种植牙中，种植体可采用功能梯度材料，其下部为100％的生物陶瓷，上部为100％的生物金属，上部与下部之间的材料呈梯度分布［20]。

功能梯度材料（Functional Graded Material，FGM）是一种新型非均质复合材料（non-homogeneous composite，见图4-1a），不同于均质复合材料（homogeneous composite，见图4-1b）和复层复合材料（clad composite，见图4-1c），功能梯度材料由多种材料组成，其构成的局域要素（组分的组成与分布、微结构、孔隙率、物性参数）可控，并且在特定方向上（如由一侧向另一侧）呈连续（或准连续）梯度变化，从而导致材料的特性和功能也在相应方向上呈连续（或准连续）梯度变化（见图4-2），从而能充分满足工件各部位不同的特性要求，并使多种材料结合界面不明显，缩小或避免因结合部位的性能不匹配因素造成的不利影响，如热应力过大、弹性模量差别过大使应力过大并产生破裂和失效。由于功能梯度材料有上述优良性能，所以在航空航天器件、高性能模具和生物医学等方面有非常重要的应用前景。

图4-1 复合材料

a）非均质复合材料 b）均质复合材料 c）复层复合材料

按照材料的组成类型的区别，功能梯度材料可分为：金属／陶瓷、金属／非金属、陶瓷／陶瓷、陶瓷／非金属和非金属／聚合物等类型。

按照组成变化范围的区别，功能梯度材料可分为：本体型功能梯度材料（整体材料的组成从一侧到另一侧呈梯度渐变），表面型功能梯度材料（在基体材料表面上形成组成渐变的涂层）和连接型功能梯度材料（粘接两个基体间的界面呈梯度变化）。

功能梯度材料的概念起始于1984年，首先用于解决航空航天器件隔热性耐热材料的问题，即广泛使用的隔热性耐热材料（如金属、陶瓷复合材料）存在明显的相界面，两相的膨胀系数很大，加热至高温将产生很大的热应力，使涂层遭到破坏甚至引起重大事故。而功能梯度材料的成分和结构呈连续的梯度变化，能消除金属、陶瓷复合材料之间的明显界面，其力学、热学和化学性能等从材料的一侧向另一侧呈连续变化，从而可达到缓和热应力和耐热隔热的目的。随后，功能梯度材料的应用扩展至制造领域中一些高性能要求的零部件，例如，图4-3所示高性能的热注塑模，这种模具采用了本体型功能梯度材料，其中，外缘材料为100％的不锈钢，以便有良好的耐腐蚀性能，不锈钢的体积含量由外向内呈线性梯度逐步减少；模具的内芯为具有低膨胀系数的镍铁合金，其体积含量由外向内呈线性梯度逐步增加。图4-4是由功能梯度材料构成的压力容器，这种容器用于存储高温／高压的流体，因此，在靠近容器内表面部分采用陶瓷材料，以便获得高耐热性；在靠近容器的外表面部分采用金属材料，以便获得高机械强度；在两者之间的过渡层采用功能梯度材料层，以便降低过渡层的应力。

图4-2 功能梯度材料的结构和特性

图4-3 由功能梯度材料构成的热注塑模

a）模具截面图 b）组分的梯度分布

图4-4 由功能梯度材料构成的压力容器

除了上述组分连续变化的功能梯度材料之外，也有组分离散变化的功能梯度材料，例如图4-5所示结构中，一个组分为金属基体，另一个组分为按一定规律离散分布的陶瓷夹杂。

图4-5 离散功能梯度材料

用于生物医学领域的功能梯度材料称为生物梯度材料，这种材料是仿生学、工程学、材料学和生物医学等有关技术的结合，应用功能梯度材料的概念，参照天然生物材料的结构和功能规律来设计、制备的一类新型复合材料，它涉及人体硬组织替代材料、人工关节、人工脏器、人工血管等领域。生物梯度材料的材料组分、组织结构和性能的梯度变化可以是连续渐变，也可以是阶梯式变化，还可以是材料组分不变而结构呈空间梯度变化。而且，如果梯度的变量是材料中的微孔（孔径）时，则可以得到所谓孔梯度材料。如果以同质颗粒的粒径为变量（梯度变化），可得到晶粒尺寸呈一定空间分布的多晶材料，例如纳米／微米梯度材料，虽然组分和显微结构都相同，但晶粒尺寸的梯度变化可以导致晶界的密度呈梯度变化，因此表现出新的性质。

例如，图4-6所示为整形外科移植中采用梯度界面的假体（prosthesis）。假体与病人骨组织相连接的传统方法是，使假体与骨组织完全紧密地接触，然而这会导致病人在承重时疼痛，这是因为骨中的假体会有微位移，并且随后假体甚至会在骨中松动。使假体与骨组织之间附着的更有效的方法是在假体上喷涂多孔金属（移植后新生骨会长入微孔中），并将羟基磷灰石（HA）梯度层喷涂在多孔金属上，从而产生物理化学结合，提高结合的强度和程度。因此，具有HA涂层的多孔金属可克服无骨水泥（PVP）假体的缺点，能免除由于行走时不用骨水泥固定的假体微位移或松动造成的疼痛。

在上述图4-6所示梯度界面由多孔钛（Ti）与HA组成。Ti有良好的机械韧性，HA有良好的生物兼容性。但是，Ti与HA简单的组合会导致生物不相容，并削弱强度，这是因为他们的材料特性的差异造成的。在梯度界面区域中借助Ti和HA的变化比例的混合，排除了Ti和HA之间的突变界面，可以克服材料特性的突变差异，使最终假体的性能近似于人骨。

又如图4-7所示种植牙中，种植体可采用功能梯度材料（见图4-8），其下部为100％的生物陶瓷（HA），上部为100％的生物金属（Ti），上部与下部之间的材料呈梯度分布^［20]。

图4-6 采用梯度界面的假体

图4-7 种植牙

图4-8 种植体为功能梯度材料

功能梯度材料的十大特性

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