馬文靜

（河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

1 前言

功能梯度材料（ Functionally Gradient Material簡稱FGM）是一種全新的非均勻復(fù)合材料，與一般宏觀均質(zhì)復(fù)合材料相比功能梯度材料從金屬到陶瓷無論是成分和顯微結(jié)構(gòu)在每一處都是有控制地連續(xù)變化的，因而功能梯度材料的熱力學(xué)及熱彈性性能均很大程度上優(yōu)于一般均質(zhì)復(fù)合材料。

一、功能梯度材料產(chǎn)生背景及概念的提出

隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊笾鹉晟?，曾近為主流的單質(zhì)材料的性能和功能都難以滿足超高溫、超低溫和超高壓等特殊的環(huán)境條件的設(shè)計(jì)要求，這時(shí)將兩種或多種材料向結(jié)合從而達(dá)到性能和功能均呈連續(xù)梯度變化的要求的復(fù)合材料—功能梯度材料應(yīng)運(yùn)而生。

圖1～圖3均由兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)成；其從結(jié)構(gòu)的一個(gè)表面到另一個(gè)表面組成是按一定規(guī)律連續(xù)變化的。

如圖1所示為兩種材料均勻搭配，其性質(zhì)呈現(xiàn)均勻性，組分均質(zhì)過渡。其彈性模量、熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)值基本穩(wěn)定。

如圖2所示材料的兩種組成基體存在明顯的異相突變界面，其兩側(cè)的物理性質(zhì)、化學(xué)性能具有很大的差距，當(dāng)料所承受的外界環(huán)境通常不均一時(shí)，高溫度載荷作用下層間易產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)脫層現(xiàn)像。

如圖3所示為兩種組分在其間的組成以及結(jié)構(gòu)連續(xù)呈梯度變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)沒有明顯的分界界面，這就使得材料的性質(zhì)以及其物性參數(shù)均沿厚度方向也呈梯度變化，從而有效地緩解了熱應(yīng)力，即功能梯度材料。

3 功能梯度材料的研究現(xiàn)狀

功能梯度材料通常應(yīng)用于可靠性和安全性都非常重要的領(lǐng)域，如航空航天與核反應(yīng)堆，因此為了保證其可靠度和安全性，功能梯度材料在熱荷載作用下熱應(yīng)力分布規(guī)律是一個(gè)很值得關(guān)注的研究方向。

圖1 均質(zhì)材料

圖2 復(fù)合材料

圖3 功能梯度材料

沈惠申討論了功能梯度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的彎曲、屈曲和震動(dòng)問題。田建輝等人用混合數(shù)值法分析了功能梯度材料板中瞬態(tài)熱響應(yīng)問題。許楊建等人用分離變量法研究了初始和邊界不同恒溫時(shí)二維梯度板瞬態(tài)溫度場問題。Masoud Asgari等人用有限元法研究了有限長度的2D-FGM圓筒在沖擊荷載作用下的動(dòng)力問題。A. Allahverdizadeh等人用攝動(dòng)法和周期性分析法對功能梯度板進(jìn)行非線性分析。

4 功能梯度材料的應(yīng)用范圍

（1）航空航天：主要用于航天飛機(jī)機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)壁以及飛機(jī)隱形，具有承受超高溫、高溫沖擊、高溫疲勞以及熱應(yīng)力緩和吸聲等功能；

（2）機(jī)械工程：主要用于汽輪機(jī)的排氣門、軸承等承受超高溫部件，具有承受超高溫、強(qiáng)腐蝕、長期磨損的功能，具有極高強(qiáng)度、超強(qiáng)韌性好的特點(diǎn)；

（3）生物醫(yī)藥：主要用于人造骨骼、人造心臟、人造牙齒以及仿生物制品，而且和其他人造器官相比，其強(qiáng)度、模量、耐腐蝕性、耐疲勞性、耐磨性以及生物相容性均具有較高的優(yōu)勢；

（4）其他方面：能源工程、核工程及民用及建筑等單一均質(zhì)材料很難實(shí)現(xiàn)苛刻情況應(yīng)用。

結(jié)語

事實(shí)證明，功能梯度材料的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。迄今為止，不僅是在國內(nèi)，即便從世界角度來看，功能梯度材料的研究與發(fā)展仍然處于實(shí)驗(yàn)階段。有許多問題需要人們在今后的實(shí)踐中逐一予以解決。但可以相信，通過眾多研究人員的不懈努力，在不久的將來，功能梯度材料的發(fā)展及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和實(shí)踐必將產(chǎn)生難以估算的飛躍。

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