功能梯度材料的力学性能及应用研究

赵 芯

(重庆交通大学 重庆 400000)

功能梯度材料的力学性能及应用研究

赵 芯

(重庆交通大学 重庆 400000)

功能梯度材料作为一种新型的复合材料，其不同于传统的复合材料，其在结构以及性能上都有着更为优异的特性，所以当前在材料领域之中功能梯度材料成为了一个研究的重点和热点。而要对于功能梯度材料进行研究，其结构以及力学性能是非常重要的内容，只有在了解其结构以及力学性能的基础之上，才能够更好地对其加以制备和应用，因此在本文的研究中，主要就功能梯度材料的力学性能以及应用进行了说明。

功能梯度材料；力学性能；材料结构

一、前言

功能梯度材料(FGM)指的是材料的组分以及结构是从材料的某一个方位向另一方位连续地进行变化，从而使得材料的性能以及功能也呈现出梯度变化的一种新型的材料。功能梯度材料在航空航天领域应用最为广泛，同时在土木工程、化工部件以及汽车制造等领域也有着广泛的应用，而在对其加以应用的时候，必须要充分地了解功能梯度材料的结构以及力学性能，才能够依据实际的需求制备出满足使用要求的功能梯度材料。

二、功能梯度材料组成分布研究

由于功能梯度材料各个位置的物质组成情况往往是不相同的，所以如果要对其力学性能进行研究，首先就必须要对于材料组分随着坐标的变化情况加以确定，在此基础之上，才能够定量地对于功能梯度材料的力学性能进行研究。一般在梯度指标之中，可以采用体分比来对于功能梯度材料结构的成分分布函数加以表征。不同的学者分别采用了不同的函数来对于功能梯度材料成分分布进行了描述，其中最具代表性的有两种描述方式，第一是Markworth及Saunders利用的一元二次函数来对于功能梯度材料的成分分布进行了描述，第二是Wakashima利用的幂函数来对于功能梯度材料的成分分布进行了描述。

三、功能梯度材料结构及力学性能研究

(一)功能梯度材料物性参数预测

功能梯度材料属于非均匀复合材料的范畴，要对其结构的力学行为加以分析，首先就必须要对于材料的宏观性能和其微观组分之间的定量关系加以确定。比如说为了对于耐热梯度材料的热应力进行计算，就必须要对梯度层的细观结构特征进行了解。在对于功能梯度材料的弹性模量进行预测的时候，可以采用等应变建设与等应力假设，然后依据弹性极值原理来对于功能梯度材料的弹性模量及剪切模量的上限及下限加以确定。同时也可以采用自洽模型以及三相模型等多种模型来对于功能梯度材料的泊松比以及弹性模量加以预测。

(二)功能梯度材料力学研究方法

因为功能梯度材料的参数同空间坐标是相互关联的，所以其结构基本方程一般都是变系数偏微分方程，如果要直接求其解析解往往很困难。当前在对于功能梯度材料力学性能进行研究的时候，由于其参数的非均匀性，所以其控制方程也是非线性的，因此常常采用复合材料层合模型来对其进行处理，把功能梯度材料结构沿着其厚度方向划分成为多个薄层，然后让每一个薄层近似为均匀的，而相邻层的材料参数不相同，这样就可以将每一层的控制方程变为常系数的，也就可以采用经典的结构理论来对于每一层进行求解。

四、功能梯度材料的应用

(一)航空航天领域中的应用

功能梯度材料最典型的一个应用领域就是航空航天，将功能梯度材料应用于航天飞行器材料之中，能够有效地改善航天飞行器的外表面耐热性能，从而确保其稳定和安全。比如说日本的学者就将PSZ/Ti的功能梯度材料应用在了火箭推进器燃烧室的内壁之中，使得内壁的耐热性能得到有效地提高。在应用之后，发现燃烧室内壁的热循环寿命明显地高于没有功能梯度材料涂层的热循环寿命。又比如说还可以将功能梯度材料应用在航空涡轮发动机的叶片之上，在航空涡轮发动机叶片上涂上功能梯度材料涂层之后，能够使其耐磨性、耐腐蚀性以及耐热性都得到有效地提高，进而有效延长涡轮发动机的使用寿命。

(二)机械领域中的应用

在机械领域之中，功能梯度材料也有着非常广泛的应用。比如说对于切削刀具而言，就可以采用功能梯度材料进行制作，如果切削刀具外硬内韧，那么刀具的综合性能将有大幅度地提升，其使用寿命将得到有效地延长，而且切割的效率也将大幅度地提升，相比于传统的合金切削刀具，其耐磨性可以提高两倍，而且使用寿命可以达到合金刀具的五倍。同时还可以将功能梯度材料应用于轴承之中，比如说采用梯度自润滑轴承，能够有效地解决基体强度和孔隙度之间的矛盾，而且还可以使得其极限PV值由2.0Pa.m/s提高到4.0Pa.m/s，同时相比于传统的均质自润滑轴承，使用寿命可以提高两倍以上。

(三)光电领域之中的应用

在光电领域之中，功能梯度材料也有着非常广泛的应用，比如说可以应用功能梯度材料进行大功率激光棒、复印机透镜以及光纤接口的制作，能够有效地消除传统材料的热应力增强、重量大等缺陷，同时还可以用于制作光纤元件以及一体化传感器等光电设备之中。在电真空器件之中，如果对于梯度封接合金材料加以应用，用其来外壳以和金属电极，这样可以使其既具有良好的导电性，同时又能够同壳体有效地匹配封接，而且还能够有效地保证绝缘性，使得器件的使用寿命得到有效地延长。

五、结语

在将来的研究中，功能梯度材料的设计、合成以及性能评价是研究的主要内容，而其中合成又是功能梯度材料研究的一个核心。而功能梯度材料的设计、合成及性能评价都离不开试验，因此，建立起一套标准化的试验方法是推动当前功能梯度材料研究进一步发展的一个关键。

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赵芯(1993-)，男，汉族，四川巴中，学生，硕士研究生，重庆交通大学；研究方向：结构与材料非线性分析。