趙 芯

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

功能梯度材料的力學(xué)性能及應(yīng)用研究

趙 芯

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

功能梯度材料作為一種新型的復(fù)合材料，其不同于傳統(tǒng)的復(fù)合材料，其在結(jié)構(gòu)以及性能上都有著更為優(yōu)異的特性，所以當(dāng)前在材料領(lǐng)域之中功能梯度材料成為了一個(gè)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。而要對于功能梯度材料進(jìn)行研究，其結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能是非常重要的內(nèi)容，只有在了解其結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的基礎(chǔ)之上，才能夠更好地對其加以制備和應(yīng)用，因此在本文的研究中，主要就功能梯度材料的力學(xué)性能以及應(yīng)用進(jìn)行了說明。

功能梯度材料；力學(xué)性能；材料結(jié)構(gòu)

一、前言

功能梯度材料(FGM)指的是材料的組分以及結(jié)構(gòu)是從材料的某一個(gè)方位向另一方位連續(xù)地進(jìn)行變化，從而使得材料的性能以及功能也呈現(xiàn)出梯度變化的一種新型的材料。功能梯度材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)在土木工程、化工部件以及汽車制造等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，而在對其加以應(yīng)用的時(shí)候，必須要充分地了解功能梯度材料的結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能，才能夠依據(jù)實(shí)際的需求制備出滿足使用要求的功能梯度材料。

二、功能梯度材料組成分布研究

由于功能梯度材料各個(gè)位置的物質(zhì)組成情況往往是不相同的，所以如果要對其力學(xué)性能進(jìn)行研究，首先就必須要對于材料組分隨著坐標(biāo)的變化情況加以確定，在此基礎(chǔ)之上，才能夠定量地對于功能梯度材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究。一般在梯度指標(biāo)之中，可以采用體分比來對于功能梯度材料結(jié)構(gòu)的成分分布函數(shù)加以表征。不同的學(xué)者分別采用了不同的函數(shù)來對于功能梯度材料成分分布進(jìn)行了描述，其中最具代表性的有兩種描述方式，第一是Markworth及Saunders利用的一元二次函數(shù)來對于功能梯度材料的成分分布進(jìn)行了描述，第二是Wakashima利用的冪函數(shù)來對于功能梯度材料的成分分布進(jìn)行了描述。

三、功能梯度材料結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能研究

(一)功能梯度材料物性參數(shù)預(yù)測

功能梯度材料屬于非均勻復(fù)合材料的范疇，要對其結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為加以分析，首先就必須要對于材料的宏觀性能和其微觀組分之間的定量關(guān)系加以確定。比如說為了對于耐熱梯度材料的熱應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，就必須要對梯度層的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了解。在對于功能梯度材料的彈性模量進(jìn)行預(yù)測的時(shí)候，可以采用等應(yīng)變建設(shè)與等應(yīng)力假設(shè)，然后依據(jù)彈性極值原理來對于功能梯度材料的彈性模量及剪切模量的上限及下限加以確定。同時(shí)也可以采用自洽模型以及三相模型等多種模型來對于功能梯度材料的泊松比以及彈性模量加以預(yù)測。

(二)功能梯度材料力學(xué)研究方法

因?yàn)楣δ芴荻炔牧系膮?shù)同空間坐標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，所以其結(jié)構(gòu)基本方程一般都是變系數(shù)偏微分方程，如果要直接求其解析解往往很困難。當(dāng)前在對于功能梯度材料力學(xué)性能進(jìn)行研究的時(shí)候，由于其參數(shù)的非均勻性，所以其控制方程也是非線性的，因此常常采用復(fù)合材料層合模型來對其進(jìn)行處理，把功能梯度材料結(jié)構(gòu)沿著其厚度方向劃分成為多個(gè)薄層，然后讓每一個(gè)薄層近似為均勻的，而相鄰層的材料參數(shù)不相同，這樣就可以將每一層的控制方程變?yōu)槌Ｏ禂?shù)的，也就可以采用經(jīng)典的結(jié)構(gòu)理論來對于每一層進(jìn)行求解。

四、功能梯度材料的應(yīng)用

(一)航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

功能梯度材料最典型的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域就是航空航天，將功能梯度材料應(yīng)用于航天飛行器材料之中，能夠有效地改善航天飛行器的外表面耐熱性能，從而確保其穩(wěn)定和安全。比如說日本的學(xué)者就將PSZ/Ti的功能梯度材料應(yīng)用在了火箭推進(jìn)器燃燒室的內(nèi)壁之中，使得內(nèi)壁的耐熱性能得到有效地提高。在應(yīng)用之后，發(fā)現(xiàn)燃燒室內(nèi)壁的熱循環(huán)壽命明顯地高于沒有功能梯度材料涂層的熱循環(huán)壽命。又比如說還可以將功能梯度材料應(yīng)用在航空渦輪發(fā)動機(jī)的葉片之上，在航空渦輪發(fā)動機(jī)葉片上涂上功能梯度材料涂層之后，能夠使其耐磨性、耐腐蝕性以及耐熱性都得到有效地提高，進(jìn)而有效延長渦輪發(fā)動機(jī)的使用壽命。

(二)機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用

在機(jī)械領(lǐng)域之中，功能梯度材料也有著非常廣泛的應(yīng)用。比如說對于切削刀具而言，就可以采用功能梯度材料進(jìn)行制作，如果切削刀具外硬內(nèi)韌，那么刀具的綜合性能將有大幅度地提升，其使用壽命將得到有效地延長，而且切割的效率也將大幅度地提升，相比于傳統(tǒng)的合金切削刀具，其耐磨性可以提高兩倍，而且使用壽命可以達(dá)到合金刀具的五倍。同時(shí)還可以將功能梯度材料應(yīng)用于軸承之中，比如說采用梯度自潤滑軸承，能夠有效地解決基體強(qiáng)度和孔隙度之間的矛盾，而且還可以使得其極限PV值由2.0Pa.m/s提高到4.0Pa.m/s，同時(shí)相比于傳統(tǒng)的均質(zhì)自潤滑軸承，使用壽命可以提高兩倍以上。

(三)光電領(lǐng)域之中的應(yīng)用

在光電領(lǐng)域之中，功能梯度材料也有著非常廣泛的應(yīng)用，比如說可以應(yīng)用功能梯度材料進(jìn)行大功率激光棒、復(fù)印機(jī)透鏡以及光纖接口的制作，能夠有效地消除傳統(tǒng)材料的熱應(yīng)力增強(qiáng)、重量大等缺陷，同時(shí)還可以用于制作光纖元件以及一體化傳感器等光電設(shè)備之中。在電真空器件之中，如果對于梯度封接合金材料加以應(yīng)用，用其來外殼以和金屬電極，這樣可以使其既具有良好的導(dǎo)電性，同時(shí)又能夠同殼體有效地匹配封接，而且還能夠有效地保證絕緣性，使得器件的使用壽命得到有效地延長。

五、結(jié)語

在將來的研究中，功能梯度材料的設(shè)計(jì)、合成以及性能評價(jià)是研究的主要內(nèi)容，而其中合成又是功能梯度材料研究的一個(gè)核心。而功能梯度材料的設(shè)計(jì)、合成及性能評價(jià)都離不開試驗(yàn)，因此，建立起一套標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)方法是推動當(dāng)前功能梯度材料研究進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。

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趙芯(1993-)，男，漢族，四川巴中，學(xué)生，碩士研究生，重慶交通大學(xué)；研究方向：結(jié)構(gòu)與材料非線性分析。