功能梯度材料

功能梯度材料并不是什么新材料。古人很早就根據(jù)這種思路來煉鐵，在日本出土的一把劍刃上，我們可以看到劍鋒、刃部和主體的顏色是不同的，這說明它們的成分也是不同的。大自然早就把這個概念引入生物組織中了，例如，動物的骨頭就是一種梯度結(jié)構(gòu)，外部堅韌，內(nèi)部疏松多孔。廚房使用的一把菜刀刀刃部需要硬度高的材料，而其他部位的材料則應(yīng)該具有高強度和韌性。

　　雖然一些美國的學(xué)者在20世紀(jì)50～80年代，對這種材料進行了初步的研究．但是；沒有正式提出這個概念。直到1984年，“功能梯度材料”這個術(shù)語才由日本的新野正之、平井敏雄等材料學(xué)家們提出來。當(dāng)時，一系列的政府報告中也論述了以航天飛機為重點的太空領(lǐng)域?qū)�這種高性能材料的需求，應(yīng)用的目標(biāo)就是航天飛機上的發(fā)動機和防熱系統(tǒng)。

　　幾年后，德國、美國、瑞士、中國和俄羅斯等國也相繼展開了對功能梯度材料的研究，這一研究迅速成為材料界研究的熱點。那么，功能梯度材料究竟是—種怎樣的材料呢?

　　它是在內(nèi)部組分、結(jié)構(gòu)、性能方面，從材料的—部分到另—部分呈連續(xù)變化或分層階梯式變化的新型材料，是一種特殊類型的復(fù)合材料，它的特點是材料的正反兩面在性能上都有很大的差異，因而可以發(fā)揮出不同的作用。

　　還有一個特點就是，這種成分或結(jié)構(gòu)的變化是逐漸過渡的，可有效緩解材料兩側(cè)存在的溫差所引起的巨大應(yīng)力，因此它能夠耐熱沖擊，且具有良好的機械強度。

　　功能梯度材料使用的原料可以是液相、氣相或固相。原則上來說，只要能有效地控制和改變各成分含量和比例的那些工藝都可以成為它的合成方法。一般都是通過物理方法或者化學(xué)方法來達(dá)到所需的梯度的，從而使材料在不同區(qū)域會具有在制備功能梯度材料之前，首先要根據(jù)環(huán)境的需要對各部分的參數(shù)(如應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)等)進行計算，然后得出使這種參數(shù)按照預(yù)定分布值所需的組分變化數(shù)據(jù)，再通過精確控制生長工藝來制造出這種符合所需參數(shù)的材料。因此，材料在制備之前就已擬定了解決這個問題的方案，真可以說是“胸有成竹”。

　　目前，從研究方向來看，各國的科研人員都對熱障功能材料的研究有很高的興趣。像日本的川崎重工業(yè)公司就把氧化鋯和金屬鈦的結(jié)合面做成梯度結(jié)構(gòu)，得到了氧化鋯一鈦合金系功能梯度材料，這種材料氧化鋯的一側(cè)可承受1600℃的高溫，這比常用的鎳基合金材料的耐熱溫度高200℃，鈦的一側(cè)能夠耐熱沖擊，可用于制造燃?xì)廨啓C的發(fā)動機，從而提高發(fā)動機的工作效率。　　

　　功能梯度材料的應(yīng)用領(lǐng)域是非常廣泛的。由于它具有較高機械強度、抗熱沖擊、耐高溫性能等特點，在航空航天、電子元件、人造臟器、汽車發(fā)動機、制動器、化工部件等諸多方面都有廣泛的應(yīng)用。譬如，在航天領(lǐng)域就需采用金屬陶瓷功能梯度材料，它的一面是陶瓷，另一面是金屬，而中間是從陶瓷到金屬逐漸變化的過渡層，它具有金屬材料和陶瓷材料的雙重特點，既有陶瓷的硬度和耐高溫、耐腐蝕的特性，同時還具有金屬的強度和韌性，可作為火箭耐熱部件。而且在通信領(lǐng)域里，功能梯度材料可以制造多模光纖，這種光導(dǎo)纖維的光學(xué)折射率從軸心至外層是逐漸變小的，而且還能夠在其他領(lǐng)域中作為極端條件下使用的材料。

　　如今世界各國對功能梯度材料的研究都在如火如荼地展開，它在各個領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了重要進展，已為人類的生產(chǎn)生活做出了很多的貢獻(xiàn)。不過，仍然有許多問題需要人們?nèi)ソ鉀Q。我們可以想像，在不久的將來，功能梯度材料必將得到更大規(guī)模的研發(fā)和應(yīng)用。