功能梯度材料

功能梯度材料

在生活中，人们所使用的材料的内部成分或结构往往是比较均匀的，而实际上材料会遇到各种使用环境，或者不同部位使用环境不同的情况，这就要求材料的性能应该随它在构件中位置的不同而不同。例如，一把厨房菜刀刃部需要硬度高的材料，而其他部位的材料则应该具有高强度和韧性。同样，一台内燃机主体必须有好的强度，而燃烧室的表面层则必须耐高温才能提高热效率。也许有人会想，把两种材料直接结合在一起即可解决，实际上这么做会存在隐患，因为构件中不同的材料热膨胀系数不同，若构件处于高温环境，会导致其局部应力集中，使材料开裂。因此人们设想，如果从一种材料逐步过渡到另一种材料，就能大大地降低应力集中。于是，人们就想到了功能梯度材料。

然而，功能梯度材料并不是新事物。古人就已经根据这种思路来炼铁，可以看到剑锋、刃部和主体的颜色是不同的，这说明它们的成分是不同的。大自然早就把这个概念引入生物组织中，例如，骨头就是一种梯度结构，外部坚硬，内部疏松多孔。在20世纪50～80年代，一些美国的学者对这种材料进行厂初步的研究，但没有正式提出这个概念。作为正式的科学概念，“功能梯度材料”这个术语是在1984年前后由日本的新野正之、平井敏雄等材料学家提出的。当时，一系列的政府报告论述了以航天飞机为重点的太空领域对高性能材料的需求，应用的目标就是航天飞机的发动机和防热系统。几年后，德国、美国、瑞士、中国和俄罗斯等国也竞相开始了功能梯度材料的研究，这一研究迅速成为材料界研究的热点。

功能梯度材料（英文简称FGM）是一种材料内部组分、结构、性能等，从材料的一部分到另一部分呈连续变化或分层阶梯式变化的新型材料。FGM是一种特殊类型的复合材料，它的特点是材料的正反两面在性能上有很大的差异，因而可以发挥不同的作用；另一方面，这种成分或结构的变化是逐渐过渡的，可以有效缓解材料两侧存在温差所引起的巨大应力，因此它能够耐热冲击，具有良好的机械强度。

功能梯度材料的制备方法有很多种，使用的原料可以是液相、气相或固相。原则上讲，只要能有效地控制和改变各成分含量与比例的工艺都可以成为它的合成方法。一般通过物理方法或者化学方法来达到所需的梯度，从而使材料在不同区域会具有不同的功能。在制备功能梯度材料之前，首先要根据环境的需要对各部分的参数（如应力、热膨胀系数等）进行计算，得出使这种参数按照预定分布值所需的组分变化数据，然后通过情确控制生长工艺制造出这种所需参数的材料。因此，材料在制备之前就已经得出了解决这个问题的方案，可谓“胸有成竹”。

从研究方向来看，目前各国的科研人员对热障功能材料的研究有很高的兴趣。比如日本川崎重工业公司把氧化锆和金属钛的结合面做成梯度结构，得到了氧化锆－钛合金系功能梯度材料，这种材料氧化锆一侧可承受1600℃的高温，比常用的镍合金材料的耐热温度高200℃，而且它能够耐热冲击，可用于制造燃气轮机的发动机，从而提高发动机的工作效率。

功能梯度材料的应用领域十分广泛。由于它具有较高机械强度、抗热冲击、耐高温性能等特点，在航空航天、电子器件、人造脏器、汽车发动机、制动器、化工部件等方面有广泛的应用。例如，在航天领域就需要采用金属陶瓷功能梯度材料，一面是陶瓷，一面是金属，中间是从陶瓷到金属逐渐变化的过渡层，它具有金属材料和陶瓷材料的双重特点，既有陶瓷的硬度和耐高温、耐腐蚀的特性，同时还具有金属的强度和韧性，可作为火箭耐热部件；在通信领域里，功能梯度材料可以制造多模光纤，这种光导纤维的光学折射率从轴心至外层是逐渐变小的。FGM还能够在其他领域中作为极端条件下使用的材料。

目前世界各国对功能梯度材料的研究正在如火如荼地展开，它的应用已经取得了重要进展，为人类的生产生活做出了贡献。不过，还有许多问题需要人们去解决。可以预计，在不久的将来，功能梯度材料必将得到更大规模的研发和应用。