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功能梯度材料的制备及应用发展

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  摘 要:本文从功能梯度材料的产生背景、概念、性质、研究进展以及应用范围等方面,对功能梯度材料目前的研究作以简单的概述,并简单预测了功能梯度材料今后的发展趋势。以促进梯度功能材料更好、更快、更全面的发展。
中国论文网 /8/view-12056931.htm
  关键词:功能梯度材料;研究背景;研究进展;应用范围
  中图分类号:TB33 文献标识码:A
  1 前言
  功能梯度材料( Functionally Gradient Material简称FGM)是一种全新的非均匀复合材料,与一般宏观均质复合材料相比功能梯度材料从金属到陶瓷无论是成分和显微结构在每一处都是有控制地连续变化的,因而功能梯度材料的热力学及热弹性性能均很大程度上优于一般均质复合材料。
  一、功能梯度材料产生背景及概念的提出
  随着当代科学技术领域对材料的要求逐年升高,曾近为主流的单质材料的性能和功能都难以满足超高温、超低温和超高压等特殊的环境条件的设计要求,这时将两种或多种材料向结合从而达到性能和功能均呈连续梯度变化的要求的复合材料―功能梯度材料应运而生。
  图1~图3均由两种不同性质的材料构成;其从结构的一个表面到另一个表面组成是按一定规律连续变化的。
  如图1所示为两种材料均匀搭配,其性质呈现均匀性,组分均质过渡。其弹性模量、热膨胀系数、热传导系数值基本稳定。
  如图2所示材料的两种组成基体存在明显的异相突变界面,其两侧的物理性质、化学性能具有很大的差距,当料所承受的外界环境通常不均一时,高温度载荷作用下层间易产生应力集中,出现脱层现像。
  如图3所示为两种组分在其间的组成以及结构连续呈梯度变化,结构内没有明显的分界界面,这就使得材料的性质以及其物性参数均沿厚度方向也呈梯度变化,从而有效地缓解了热应力,即功能梯度材料。
  3 功能梯度材料的研究现状
  功能梯度材料通常应用于可靠性和安全性都非常重要的领域,如航空航天与核反应堆,因此为了保证其可靠度和安全性,功能梯度材料在热荷载作用下热应力分布规律是一个很值得关注的研究方向。
  沈惠申讨论了功能梯度复合材料板壳结构的弯曲、屈曲和震动问题。田建辉等人用混合数值法分析了功能梯度材料板中瞬态热响应问题。许杨建等人用分离变量法研究了初始和边界不同恒温时二维梯度板瞬态温度场问题。Masoud Asgari等人用有限元法研究了有限长度的2D-FGM圆筒在冲击荷载作用下的动力问题。A. Allahverdizadeh等人用摄动法和周期性分析法对功能梯度板进行非线性分析。
  4 功能梯度材料的应用范围
 ?。?)航空航天:主要用于航天飞机机体、发动机的燃烧室内壁以及飞机隐形,具有承受超高温、高温冲击、高温疲劳以及热应力缓和吸声等功能;
 ?。?)机械工程:主要用于汽轮机的排气门、轴承等承受超高温部件,具有承受超高温、强腐蚀、长期磨损的功能,具有极高强度、超强韧性好的特点;
 ?。?)生物医药:主要用于人造骨骼、人造心脏、人造牙齿以及仿生物制品,而且和其他人造器官相比,其强度、模量、耐腐蚀性、耐疲劳性、耐磨性以及生物相容性均具有较高的优势;
 ?。?)其他方面:能源工程、核工程及民用及建筑等单一均质材料很难实现苛刻情况应用。
  结语
  事实证明,功能梯度材料的应用领域十分广泛。迄今为止,不仅是在国内,即便从世界角度来看,功能梯度材料的研究与发展仍然处于实验阶段。有许多问题需要人们在今后的实践中逐一予以解决。但可以相信,通过众多研究人员的不懈努力,在不久的将来,功能梯度材料的发展及其在各个领域的应用和实践必将产生难以估算的飞跃。
  参考文献
  [1]Mahmoud Nemat-Alla.Reduction of thermal stresses by composition optimization of two-dimensional functionally graded materials[J]. Solids and Structures,2009,208:147-161.
  [2]陈东,杨光义,王国元,等.等功能梯度材料的进展[J].青岛建筑工程学院学报,2001,22(04):1-2.
  [3]Mahmoud Nemat-Alla.Reduction of thermal stresses by developing two-dimensional functionally graded materials[J]. Solids and Structures,2003(40).
  [4]沈惠申.功能梯度复合材料板壳结构的弯曲、屈曲和振动[J].力学进展,2004,34(01):53-59.
  [5]田建辉,韩旭,孙小卫.基于混合数值法的功能梯度材料板瞬态热响应分析[J]. 固体力学学报,2008,29(04):396-401.
  [6]许杨健,涂代惠.对流换热边界下变物性梯度功能材料板瞬态温度场有限元分析[J].复合材料学报,2003,20(02):94-99.
  [7]李进,田兴华.功能梯度材料的研究现状及应用[J].2007,6(01):80-83.
  作者简介:马文静(1988-),女,硕士,学生,主要从事固体力学教学和新型FGM的力学问题研究。

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