[科普中国]-梯度材料

简介

当代高新技术的飞跃发展，引起材料科学领域内的不断变革，使得各种适应高新技术发展的新材料应运而生。梯度材料正是适应了这种需要，成为材料领域绽开的一朵新葩。

概念所谓梯度材料，严格意义上讲，应该称作“梯度功能复合材料”（FunctionallyGradientMaterials，简称FGM），又称倾斜功能材料。

一般复合材料中分散相是均匀分布的，整体材料的性能是同一的，但是在有些情况下，人们常常希望同一件材料的两侧具有不同的性质或功能，又希望不同性能的两侧结合得完美，从而不至于在苛刻的使用条件下因性能不匹配而发生破坏。从航天飞机的推进系统中最有代表性的超音速燃烧冲压式发动机为例，燃烧气体的温度通常要超过2000℃，对燃烧室壁会产生强烈的热冲击；燃烧室壁的另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用，通常温度为－200℃左右。这样，燃烧室壁接触燃烧气体的一侧要承受极高的温度，接触液氢的一侧又要承受极低的温度，一般材料显然满足不了这一要求。于是，人们想到将金属和陶瓷联合起来使用，用陶瓷去对付高温，用金属来对付低温。但是，用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时，由于二者的界面热力学特性匹配不好，在极大的热应力下还是会遭到破坏。针对这种情况，1984年，日本科学家平井敏雄首先提出了梯度功能材料的新设想和新概念，并展开研究。这种全新的材料设计概念的基本思想是：根据具体要求，选择使用两种具有不同性能的材料，通过连续地改变两种材料的组成和结构，使其内部界面消失，从而得到功能相应于组成和结构的变化而渐变的非均质材料，以减小和克服结合部位的性能不匹配因素。例如，对上述的燃烧室壁，在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种材料之间不出现界面，从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较好的新功能。

分类当前对聚合物梯度材料的分类尚没有统一的标准。根据应用领域的不同，可分为核功能梯度材料、生物功能梯度材料、化学功能梯度材料、光学功能梯度材料等；根据其组成材料的不同，可以分为高聚物/高聚物、高聚物/陶瓷、高聚物/金属和高聚物/无机填料等类型；根据制备方法的不同，又有化学方法制备型和物理方法制备型；其中根据梯度化因素的不同，化学方法制备型梯度材料中又可分为组成梯度变化型、交联度梯度变化型、结晶度梯度变化型等梯度材料；物理方法制备型梯度材料中又可分为取向度梯度变化型、相形态梯度变化型、分散相粒径或组成梯度变化型等1。

研究现状目前，梯度材料的研究主要集中于材料的设计、制备和评价三个方面。

关于设计：梯度功能材料的设计特色在于设计与材料的合成手段紧密结合，并借助于计算机辅助设计专家系统，得出接近于实际的结果。关于制备材料的性能取决于体系选择及内部结构。对梯度功能材料必须采取有效的制备技术来保证材料的设计。目前，已开发的梯度材料制备方法主要有：化学气相沉积法、物理蒸发法、等离子喷涂法、颗粒梯度排列法、自蔓延高温合成法、液膜直接成法及薄膜浸渗成型法等。

关于评价：对梯度功能材料性能评价，目前国内外尚没有统一的标准，由于使用目的、使用环境、制备方法等的不同，可能有不同的评价方法。例如，对等离子喷涂法制备的FGM，参照等离子喷涂的有关标准，可进行结合强度、热冲击性、隔热性以及耐热性等性能评价。

应用虽然FGM的最初目的是解决航天飞机的热保护问题，提出了梯度化结合金属和超耐热陶瓷这一新奇想法。鉴于梯度材料的特点，它很快就被利用在其他功能材料的构想和研究中，现在，随着FGM的研究和开发，其用途已不局限于宇航工业上，其应用已扩大到核能源、电子、化学、生物医学工程等领域，其组成也由金属－陶瓷发展成为金属－合金、非金属－非金属、非金属－陶瓷、高分子膜－高分子膜等多种组合，种类繁多，应用前景十分广阔。