流延法制备梯度功能材料的研究进展

简要介绍了梯度功能材料的产牛背景和发展历程,综述了梯度功能材料的制备方法的原理及优缺点.重点阐述了梯度功能材料的流延法制备及流延法制备梯度功能材料的国内外的研究动态和进展.     

流延辊压工艺制备ZrO_2/SUS316L梯度复合管

采用流延辊压法制备了ZrO_2/SUS316L梯度复合管,利用成分分布函数计算了由管内壁陶瓷以10%(体积分数)梯度过渡到管外壁金属的各梯度层厚度。讨论了辊压压力对梯度复合管的成型及表面粗糙度的影响,观察了梯度复合管管壁的微观形貌,并测试了截面的显微硬度,结果表明:当辊压压力P5 MPa时,梯度复合管素坯不能成型,层间疏松;当P≥15 MPa时制备的梯度复合管管壁表面粗糙不平、有褶皱现象;微观形貌显示,采用流延辊压法制备的ZrO_2/SUS316L梯度复合管的截面成分过渡良好,梯度层界面结合紧密,缺陷多集中在ZrO_2聚集区。     

Mg-Cu密度梯度材料的流延法制备

当密度分布指数p=2时, 根据密度分布函数设计的材料密度和厚度要求, 叠层不同组分不同厚度流延膜烧结制备了Mg-Cu密度梯度材料。通过XRD、光学显微镜、SEM、超声波扫描显微镜等对材料显微结构、不同层间结合及平整性、密度进行了表征。结果表明: 所制备的Mg-Cu密度梯度材料整体致密, 中间层的平整性和平行度较好, 结合紧密, 不存在明显的界面扩散, 密度和厚度方向的分布满足密度分布函数(p=2)要求。     

ZrO2-Ni功能梯度材料的热冲击与热疲劳行为

通过抗热震参数分析和热循环试验研究了ZrO2-Ni功能梯度材料（FGM）的热冲击与热疲劳行为及其影响因素。结果表明,ZrO2-Ni FGM热热震参数呈梯度分布,ZrO2侧抗热冲击断裂能力强而富Ni区热疲劳抗力高。其热震破坏符合热疲劳损伤机理,裂纹的准静态扩展为其控制因素。热疲劳裂纹在梯度层内以微孔聚集、连接方式萌生和扩展,而在梯度层间无横向贯穿裂纹,克服了传统陶瓷／金属结合体的界面热应力剥离问题。     

流延法制备SOFC NiO/YSZ阳极的研究

流延法制备了SOFC NiO/YSZ阳极,比较了NiO(微米级)和NiO(纳米级)两种NiO,发现由NiO(纳米级)制备的电池在800℃最大放电功率密度257.1mW/cm2,而由NiO(微米级)制备的电池相同条件下仅为124.9mW/cm2,原因在于NiO(纳米级)粒径小,制备的阳极三相反应区大.NiO(纳米级)经700℃煅烧后制备的电池最大功率密度增加到369.0mW/cm2,而 800℃和900℃煅烧时减少到169.5和159.0mW/cm2,因为700℃煅烧增加了NiO的活性,而800和900℃煅烧的NiO粒径增大到1.35μm,制备的阳极减小了反应活性区.YSZ在1200℃煅烧后,粒径从0.2μm增加到34μm,由于YSZ粒径远大于NiO,导致NiO之间接触不良,制备的电池性能下降到120.0mW/cm2,继续球磨12h后,YSZ粒径减小到0.70μm,NiO和YSZ之间分布均匀,制备的电池放电功率密度提高到447.9mW/cm2.     

HA(ZrO2)/316L不锈钢纤维对称功能梯度生物材料

制备了HA(ZrO2)/316L不锈钢纤维对称功能梯度材料(FGM),316L不锈钢纤维的含量(体积分数)按20%→10%→0→10%→20%呈轴向对称梯度变化.分析了材料的微观结构和微区元素含量,研究了材料的性能与316L不锈钢纤维含量的关系.结果表明,在HA(ZrO2)/316L不锈钢纤维对称FGM中,316L不锈钢纤维在微观上呈无序和均匀分布状态,它被包裹于HA(ZrO2)基体中,两者紧密结合.316L不锈钢纤维与HA(ZrO2)基体间的界面表现为部分凹凸不平,紧紧地咬合在一起.在FGM基体中发生了微量的韧化相Fe元素扩散,在韧化相316L不锈钢纤维不发生基体相Ca、P元素的扩散,基体与韧化相之间不发生化学反应.随着316L不锈钢纤维含量的增加,HA(ZrO2)/316L不锈钢纤维复合材料的断裂韧性和弹性模量逐渐增加,体现了FGM中各梯度层的力学性能缓和设计.按Miao模型计算HA(ZrO2)/316L不锈钢纤维FGM中的残余热应力为515 MPa,FGM的增韧机理主要为纤维的拔出增韧和层间的裂纹偏转增韧.     

HA-316L不锈钢纤维非对称功能梯度生物材料制备与显微组织

用低压热等静压方法在1100℃下制备了HA(ZrO₂)-316L不锈钢纤维非对称FGM,其中316L不锈钢纤维含量按体积比20%→15%→10%→5%呈非对称梯度变化.并通过金相显微镜、SEM、EDXA分析了材料的微观结构和微区元素含量.结果表明,HA(ZrO₂)-316L不锈钢纤维非对称FGM微观上表现为316L不锈钢纤维在FGM中呈无序、均匀分布状态,316L不锈钢纤维包裹于HA(ZrO₂)基体中,两者结合紧密,界面表现为部分凹凸不平,316L不锈钢纤维与HA(ZrO₂)基体紧紧的咬合在一起.在FGM基体中发生了微量的韧化相Fe元素扩散,韧化相316L不锈钢纤维不发生基体相Ca、P元素的扩散,基体与韧化相均相对独立,二者之间不发生任何化学反应.随着HA含量增加,HA(ZrO₂)-316L不锈钢纤维复合材料的断裂韧性和弹性模量逐渐减小,体现了FGM中各梯度层的力学性能缓和设计.HA(ZrO₂)-316L不锈钢纤维FGM中,分析认为,增韧机理主要为纤维拔出增韧和层间裂纹偏转增韧.     

Ni－ZrO_2精细功能梯度材料的设计、制备和分析

基于我们以前发表的精细复合Ｎｉ－ＺｒＯ２的热渗流现象；采用薄层迭层法，设计和制备了２８种不同成分分布曲线Ｙ［ｐ，Ｙ（１）］（Ｘ）的Ｎｉ－ＺｒＯ２ＦＦＧＭ；并用电子探针和扫描电子声显微镜分析了其成分分布、应力分布和组织结构；最后得到一种成分分布曲线为Ｙ［１，４０］（Ｘ）的Ｎｉ－ＺｒＯ２ＦＦＧＭ，它具有较显著的应力缓和效果、较高的结构完整性和致密度．本文为Ｎｉ－ＺｒＯ２ＦＦＧＭ的优化设计、制备和研究其成分分布及应力分布提供了一种崭新而有效的方法．     

流延法制备高热导率定向石墨/高分子复合片层材料(英文)

以天然鳞片石墨为原料,PVB为黏结剂,PEG和DBP混合物为增塑剂,通过流延工艺在室温下制备了定向排列的石墨/聚合物片层复合材料。系统分析了不同黏结剂用量和流延刀口高度下复合片层材料的定向排列状况,并探讨了定向排列程度对其热导率的影响。XRD和SEM的结果表明,石墨/聚合物复合片层材料显示了不同程度的定向排列。热导率测试结果表明,片层复合材料的热导率随着定向排列程度的提高而增大。通过优化黏结剂的用量和流延刀口高度制备了具有较高热导率的片层复合材料,其热导率最高可达490 W/(m.K)。     

SiC/C功能梯度材料的制备和评价

以粉末冶金方法制备了块体SiC／Ｃ ＦＧＭ,该材料结合了SiC的耐腐蚀、抗冲刷和石墨的高抗热冲击性能,具备良好的抗热疲劳性能,拓展了ＳiC陶瓷的应用前景．     

基于组分磁性差异制备ZrO2/Ni功能梯度材料研究

根据不同组分的磁性差异，提出一种在梯度磁场中，采用粉浆浇注法制备铁磁性／非磁性功能梯度材料的方法，并用此方法制备出成分连续变化的ZrO2／Ni功能梯度材料．采用能谱分析仪、光学显微镜和X射线衍射仪对ZrO2／Ni功能梯度材料的成分分布、微观结构和相组成进行了研究．结果表明，在0．5T／m的磁场梯度作用下，浆料中Ni和ZrO2颗粒由于所受磁场作用不同而发生重新排列，形成沿样品厚度方向成分的梯度分布．此外，建立了功能梯度材料成分与颗粒粒度、饱和磁化强度以及磁场梯度之间的定量关系．     

流延法制备Si3N4块体及Si3N4／BN层状材料

采用流延法制备了Ｓｉ３Ｎ４块体及Ｓｉ３Ｎ４／ＢＮ层状材料。流延法已经在陶瓷的制备工艺中得到了广泛的应用,但是很少用于Ｓｉ３Ｎ４体系,尤其是水基流延法。用流延法制备Ｓｉ３Ｎ４／ＢＮ层状材料时,可以较为容易的控制坯片的厚度,得到性能稳定的层状材料。     

钎焊方法制备Ti/TiAl/Al系变密度功能梯度材料

采用两步钎焊方法来完成梯度材料的制备:第一步,选用Ti-Zr-Cu-Ni-Co急冷态箔带钎料钎焊TC4/TiAl接头,钎焊规范选为960℃/10min;第二步,采用高纯度的Al,Cu和Si粉末混合配制Al-25Cu-5Si钎料,用于钎焊TiAl/LF21接头,钎焊规范选为590℃/10min.结果表明,两步钎焊法成功实...     

磁场驱动法制备低热膨胀环氧梯度功能材料

为降低环氧树脂的热膨胀系数,基于负热膨胀填料LaFe10.5 Co1.0 Si1.5制备了低热膨胀的LaFe10.5 Co1.0 Si1.5/环氧树脂复合材料,研究了LaFe10.5 Co1.0 Si1.5填料含量对材料力学性能和热膨胀性能的影响规律,并通过磁场驱动法诱导填料粒子在树脂基体中的梯度分布,制备了热膨胀梯度...     

碳/碳/Al2O3陶瓷功能梯度材料的制备与研究

从功能梯度材料的原材料的筛选、制备工艺路线的确定出发,对碳/碳/Al2O3陶瓷功能梯度材料的组分分布、微观结构、烧蚀性能及热学性能进行了研究.从试样内表面向外表面,基体碳含量从88%变化到近乎为15%,而Al2O3陶瓷含量从12%变化到85%左右.材料内表面氧-乙炔烧蚀率为0.012nn/s,这表现为碳/碳材料的特性.材料外表面的导热系数达到0.86W/m·K(25℃),表现为良好的隔热效果.     

Cu/ABS复合导电梯度功能材料的制备和性能

借助HAAKE转矩流变仪,采用熔融共混法制备了一系列Cu粉含量不同的Cu/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)复合材料,采用多层叠压法制备了内部Cu粉含量逐渐变化的板状Cu/ABS复合导电梯度功能材料,并对其结构和性能进行了表征。结果表明,所制备导电梯度功能材料的性能与均质复合材料存在很大差异。电性能测试结果显示,随着Cu粉含量沿板材厚度方向的梯度增加,其导电性能发生逾渗转变,体积电阻率从一侧的1016Ω.cm降低到另一侧的105Ω.cm。弯曲性能测试表明,富含ABS树脂的一侧表现出较高的弯曲强度,仅比纯ABS的弯曲强度低6%;而富含填料的另一侧则表现出较高的模量,比纯ABS高约20%。实验证明,将导电复合材料做成梯度结构可以兼顾材料的导电性能和力学性能。     

B4C/C功能梯度材料制备及其性能研究

采用粉末冶金法中的叠层法在2000℃,40MPa的热压烧结条件下设计制备了B4C组分含量变化范围为10％～50％（质量分数）的B4C／C功能梯度材料（FGM）。同时,为了深入考察B4C／C FGM各叠层的性能,在相同的工艺条件下,制备了对应不同叠层的B4C／C均质复合材料。性能测试表明随着B4C含量的增加,对应B4C／C均质复合材料的密度、强度、电阻率、抗氧化性等性能均呈现单调递增的趋势;同时B4C／C FGM整体表现出低密度和高弯曲强度特征,分别可达2．16g／cm^3和138MPa。SEM图和XRD特征曲线表明B4C／C FGM梯度特征显著,抗氧化实验表明B4C／C FGM的抗氧化性也呈现比较明显的梯度变化特征,有望作为抗等离子体、单壁抗氧化等领域用材料。     

流延法制备片式CaCu3Ti4O12陶瓷及其性能研究（英文）

片式CaCu3Ti4O12陶瓷由于其巨介电效应,用于制备多层陶瓷片式电容具有重大意义。通过水基流延法并在不同的烧结温度下制备的片式CaCu3Ti4O12陶瓷具有优异的介电性能。其中在1080℃下烧结的样品在保持巨电容率(98605)的同时,降低了介电损耗,其值只有0.028,远低于其他报道的损耗值。同时,测试了CCTO陶瓷薄片的复阻抗图谱,讨论了CCTO陶瓷的特殊的电学性能。实验结果表明,通过流延成型制备的CCTO陶瓷薄片在保持巨电容率的同时具有很低的介电损耗,这为CCTO陶瓷在微电子工业上的应用提供了可能性。     

W/Cu功能梯度材料的制备及热循环应力分析

采用水煮溶解造孔剂法, 即先制备孔隙呈梯度分布的钨骨架、后渗铜的方法, 制备了W/ Cu 功能梯度材料, 并对钨铜在纵截面的分布进行了检测, 数据表明在纵截面上钨铜呈梯度分布。利用水淬法模拟其服役状况并用有限差分方法对产生的非稳态热应力进行了分析。结果表明, 热应力的最大值总是出现在两端, 由于富钨端相对密度较低, 裂纹总是在该端出现, 模拟结果与实验结果相一致。      

离心成型法制备无宏观界面的Al2O3/Ni功能梯度材料

采用一种新颖的离心成型法制备了无宏观界面的Al2O3/Ni功能梯度材料, 并研究了浆料调制工艺、离心成型制备机理和梯度材料的力学性能.结果表明, 配制料浆时,粘结剂(聚乙二醇)含量为2%(质量分数)、固相含量为63%(体积分数)、球磨时间为36h,可得到的流动性良好的料浆.经离心成型(3000r/min,40min)得到了无宏观界面的坯体,该坯体在1400℃经2h真空烧结,可以得到致密、组元宏观连续过渡的Al2O3/Ni梯度材料.通过调整固相含量和粘结剂含量,可调控Al2O3/Ni复合材料的成分梯度.