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梯度功能材料
發布時間: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合且成分和結構呈連續梯度變化的一種新型復合材料,是應現代航天航空工業等高技術領域的需要,為滿足在極限環境下能反復地正常工作而發展起來的一種新型功能材料。它的設計要求功能、性能隨機件內部位置的變化而變化,通過優化構件的整體性能而得以滿足。
組成結構
從材料的結構角度來看,梯度功能材料與均一材料、復合材料不同。它是選用兩種(或多種)性能不同的材料,通過連續地改變這兩種(或多種)材料的組成和結構,使其界面消失導致材料的性能隨著材料的組成和結構的變化而緩慢變化,形成梯度功能材料。
關于FGM 的特點,可以從材料的組合方式來看,FGM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,FGM的特點也可以從材料的組成的變化來看,FGM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向另一側呈梯度漸變的結構材料。因而,可以說FGM具有巨大的應用潛力,這是FGM的另一大特點。
發展前景
FGM的研究由材料設計、材料合成和材料性能評價三個部分組成。材料合成是FGM研究的核心,材料設計則是為FGM合成提供最佳的組成和結構梯度分布,材料性能評價則是建立準確評價FGM性能的一整套標準化試驗方法,依此標準對FGM進行測試并將測試結果及時反饋給材料設計部門.三者緊密相關,相輔相成。目前材料設計多數采用逆設計系統。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造的知識庫,依據設計的基本理論,對材料的組成和結構的梯度分布進行設計?,F時,一些新技術、新方法的應用給FGM的研究增添了無窮的活力。例如:計算機輔助設計專家系統對FGM進行模擬設計,文獻已有詳細地描述。另外,用神經網絡、有限元法,分形理論進行FGM 的研究。例如據報道了采用德國SIS公司的Anqlisis圖象分析系統的)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并初步建立了分形維數與宏觀性能之間的關系。根據分形理論,可以用材料的微觀結構來表征材料的宏觀性能,即是分形維數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系。隨著軟件技術的發展,這一方法將變得更為準確、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性能,可以省去煩瑣的性能測試,提高效率,降低成本。當然,用分形理論來研究FGM 的性能還有待FGM性能數據的累積和分析方法的完善。
 
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