趙 芯

(重慶交通大學 重慶 400000)

功能梯度材料的力學性能及應用研究

趙 芯

(重慶交通大學 重慶 400000)

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

功能梯度材料；力學性能；材料結(jié)構

一、前言

功能梯度材料(FGM)指的是材料的組分以及結(jié)構是從材料的某一個方位向另一方位連續(xù)地進行變化，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域應用最為廣泛，同時在土木工程、化工部件以及汽車制造等領域也有著廣泛的應用，而在對其加以應用的時候，必須要充分地了解功能梯度材料的結(jié)構以及力學性能，才能夠依據(jù)實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性能進行研究，首先就必須要對于材料組分隨著坐標的變化情況加以確定，在此基礎之上，才能夠定量地對于功能梯度材料的力學性能進行研究。一般在梯度指標之中，可以采用體分比來對于功能梯度材料結(jié)構的成分分布函數(shù)加以表征。不同的學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行了描述。

三、功能梯度材料結(jié)構及力學性能研究

(一)功能梯度材料物性參數(shù)預測

功能梯度材料屬于非均勻復合材料的范疇，要對其結(jié)構的力學行為加以分析，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系加以確定。比如說為了對于耐熱梯度材料的熱應力進行計算，就必須要對梯度層的細觀結(jié)構特征進行了解。在對于功能梯度材料的彈性模量進行預測的時候，可以采用等應變建設與等應力假設，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測。

(二)功能梯度材料力學研究方法

因為功能梯度材料的參數(shù)同空間坐標是相互關聯(lián)的，所以其結(jié)構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。當前在對于功能梯度材料力學性能進行研究的時候，由于其參數(shù)的非均勻性，所以其控制方程也是非線性的，因此常常采用復合材料層合模型來對其進行處理，把功能梯度材料結(jié)構沿著其厚度方向劃分成為多個薄層，然后讓每一個薄層近似為均勻的，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)構理論來對于每一層進行求解。

四、功能梯度材料的應用

(一)航空航天領域中的應用

功能梯度材料最典型的一個應用領域就是航空航天，將功能梯度材料應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。比如說日本的學者就將PSZ/Ti的功能梯度材料應用在了火箭推進器燃燒室的內(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用在航空渦輪發(fā)動機的葉片之上，在航空渦輪發(fā)動機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，進而有效延長渦輪發(fā)動機的使用壽命。

(二)機械領域中的應用

在機械領域之中，功能梯度材料也有著非常廣泛的應用。比如說對于切削刀具而言，就可以采用功能梯度材料進行制作，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到合金刀具的五倍。同時還可以將功能梯度材料應用于軸承之中，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)光電領域之中的應用

在光電領域之中，功能梯度材料也有著非常廣泛的應用，比如說可以應用功能梯度材料進行大功率激光棒、復印機透鏡以及光纖接口的制作，能夠有效地消除傳統(tǒng)材料的熱應力增強、重量大等缺陷，同時還可以用于制作光纖元件以及一體化傳感器等光電設備之中。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電性，同時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，功能梯度材料的設計、合成以及性能評價是研究的主要內(nèi)容，而其中合成又是功能梯度材料研究的一個核心。而功能梯度材料的設計、合成及性能評價都離不開試驗，因此，建立起一套標準化的試驗方法是推動當前功能梯度材料研究進一步發(fā)展的一個關鍵。

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