功能梯度材料的发展及展望

系统地论述了功能梯度材料的概念、设计方法、制备工艺、性能评价及其应用领域。着重于相关的热应力缓解、热弹（塑）性力学、三相微观力学模型等理论的阐述和分析，并对功能梯度材料的发展及应用前景作了展望。     

功能梯度材料表面分形维数的研究

研究了等离子喷涂工艺制备的ZrO2/NiCrAl系功能梯度材料,测量了其水平面与垂直面的分形维数。结果表明,随着NiCrAl含量的升高,分形维数呈曲线变化,分形维数与抗弯强度具有较好的对应关系;在NiCrAl含量为30％附近存在渗流区域,抗弯强度值出现突变。对该材料的研究,初步建立了分形维数与宏观性能之间的关系。     

梯度纳米结构材料疲劳性能研究进展

利用严重塑性变形以及电沉积等方法制备的块体纳米晶、超细晶材料具有优越的力学性能以及独特的物理化学性能,但其韧性和抗应变局域化能力显著降低,加工硬化能力消失.块体纳米晶、超细晶材料由于具有较高的强度,能有效抑制疲劳裂纹萌生,从而有效提高应力控制循环载荷作用下的高周疲劳性能,但其塑性差,缩短了应变控制作用下的低周疲劳寿命.事实上,工程结构疲劳失效往往起源于材料表面,在循环载荷作用下,疲劳裂纹通常从材料表面萌生并向内部扩展.因此,优化材料表面微观组织结构和性能有利于提高其服役寿命.为此,近年来,人们通过开发一些新颖的表面改性方法来制备梯度纳米结构材料,这些方法也被称为表面自纳米化.与其他传统的表面改性技术相比,利用表面纳米化技术在金属材料表面制备梯度纳米结构表层,所得纳米结构表层具有硬度高、表面粗糙度小以及梯度层厚等特点.梯度纳米结构材料表层由纳米晶构成,而芯部仍然保持未变形粗晶基体结构,晶粒尺寸由表及里逐渐从纳米尺度变化到微米尺度,这一特殊的材料构筑形式使其具有优越的抗高、低周疲劳性能.目前,关于梯度纳米结构材料的力学性能,尤其是疲劳性能的研究已经成为该领域的一大研究热点,许多工程实际应用都得益于这一领域的研究成果,然而,目前尚缺乏文献系统总结这一研究成果.为此,本文系统总结了近年来关于梯度纳米结构材料疲劳性能研究的最新进展,对影响其疲劳性能的因素进行了深入分析,对梯度纳米结构材料疲劳性能研究所面临的许多亟待解决的基础科学问题进行了讨论和展望,为梯度纳米结构材料在这一工程领域的应用提供借鉴.     

金属陶瓷功能梯度材料的颗粒界面断裂能量释放率的研究

研究了功能梯度材料富陶瓷区金属颗粒界面断裂能量释放率。采用双层嵌套模型给出了金属颗粒界面的热应力与金属体积浓度的关系,对于得到的第五梯度层中的颗粒界面热应力,分析了颗粒界面断裂的释放率,并研究了每一梯镀层中金属颗粒的临界尺寸变化规律。     

梯度功能材料的研究动态

介绍了梯度功能材料新概念,着重论述了热应力缓和梯度功能材料的设计、制备、评价技术及现状,展望了其发展趋势及应用前景。     

梯度功能材料的设计

梯度功能材料是目前许多国家都在积极研究开发的极富应用潜力的材料。本文就梯度功能材料的设计思想、设计程序、成份设计、热应力解析等的基础理论进行了探讨。     

梯度功能材料物性值推定与热应力的分析

为推动梯度功能材料(FGM)的发展,本文论述了经验复合准则,微观力学的近似方法等推定物性值的一般方法,并进一步将模糊逻辑应用于FGM的物性值推定;另外,还对球形、无限长圆筒,无限大平板等形状的FGM中的热应力分布作了近似计算。     

新型梯度功能材料的研究现状与展望

主要介绍了梯度功能材料的研究现状，对国内外制备梯度材料的各项技术进行科学的分类并其原理和优缺点，同时展望了梯度功能材料的发展方向。     

梯度功能材料的热应力研究现状与展望

回顾了近年来梯度功能材料热应力研究领域所取得的研究成果，并展望了ＦＧＭ热应力研究的发展趋势。     

TiC／Ni3Al系梯度材料的残余应力与工作应力计算及结构优化

测定了TiC／Ni3Al复合材料的物性参数．对TiC／Ni3Al系梯度材料在制备过程中产生的残余应力以及在隔热使用时产生的工作应力，进行了热弹性假设下的有限元模拟在综合考虑热应力最小、应力强度比值最小以及纯TiC侧应力状态的基础上，完成了FGM的热应力缓和设计与结构优化结果表明，按线性组成分布设计是体系的最佳设计．     

梯度多孔Mg-Ca合金的力学性能研究

主要研究了具有不同孔隙梯度分布的多孔Mg-Ca合金在横向和纵向压缩时孔洞的受力以及变形特征,分析了梯度多孔Mg-Ca合金在弯曲时裂纹扩展机理,并观察了孔隙梯度结构和烧结温度对梯度多孔Mg-Ca合金力学性能的影响。研究结果表明,梯度多孔Mg-Ca合金的力学性能优于均匀多孔材料,随着试样边缘和中心孔隙度差距的增加,试样的抗弯强度、抗压强度和弹性模量均增加,纵向压缩时样品抗压强度和弹性模量的增加优于横向压缩,这主要归因于孔隙的梯度分布导致受力时外加载荷的重新分配。随着烧结温度增加,梯度多孔Mg-Ca合金的力学性能增加,在620℃烧结2h时力学性能达到最佳。     

三维编织复合材料与金属胶接结构的力学性能及优化

通过试验和理论研究了三维编织纤维增强树脂基复合材料（FRP）与钢板的单搭粘结性能。建立了三维编织复合材料和钢板的单搭粘结有限元模型,并基于内聚区模型和Hashin破坏准则来模拟胶接层及三维编织复合材料的破坏,分别从极限载荷、破坏位移和破坏模式三方面将计算结果与试验结果进行对比,验证了有限元模型的有效性。在此模型基础上,研究了胶层厚度、粘结长度对单搭粘结极限载荷和破坏位移的影响,并提出针对不同工况下的优化方案选择的建议。最后建立了一种新型连接结构,相比较于原有单搭接连接方式,其拉伸强度和弯曲强度均有了较大提升。     

Structure, mechanical and functional properties of aluminum nitride-silicon carbide ceramic material

Two-phase ceramic composites of the dielectric-semiconductor type having different semiconducting phase content (aluminum nitride ceramics with uniformly distributed inclusions of silicon carbide of a certain size) have been produced by pressureless sintering. These composites are characterized by Vickers hardness HV (150 N) 9.5–15.8 GPa, Palmqvist fracture toughness 3.0–4.2 MPa m^0.5, bending strength 132–209 MPa, thermal conductivity 37–82 W/(m K), and by a coefficient of the microwave electromagnetic energy attenuation to 36.3 dB/cm. It has been found that as the size of silicon carbide grains in aluminum nitride-based ceramics increases, the thermal conductivity increases and microwave energy attenuation decreases, which is indicative of the decisive role of grain boundaries in scattering both phonons and microwave radiation.     

石墨表面镀Si对石墨/Al复合材料热物理性能的影响

研究了石墨粒径及表面镀Si处理对石墨/Al复合材料热物理性能的影响。结果表明:在盐浴过程中石墨表面形成了SiC层,这不仅增强了石墨-Si/Al复合材料的界面结合力,而且抑制了Al4C3相的产生。随着石墨鳞片体积分数从50%增加到70%,复合材料X-Y方向的热导率从492 W/(m·K)增加到654 W/(m·K),而且体积分数为50%的镀Si石墨/Al复合材料抗弯强度达到了81 MPa,相比未镀覆的提高了53%,是理想的定向导热电子封装材料。随着石墨粒径从500μm减小到150μm,石墨-Si/Al复合材料X-Y面方向的热导率由654 W/(m·K)降低到445 W/(m·K),但Z方向的热导率和复合材料抗弯强度变化不明显。     

镍基涂层钢管金相分析与弯曲强度测试

在锅炉钢管表面制备了镍基合金喷焊防护层,利用OM、SEM、EDS、TEM等仪器观察分析,结果表明:涂层与基材形成冶金结合,涂层内基体相为γ-Ni固溶体,针状Cr的碳化物周围有大量位错组织,针状相在γ-Ni固溶体内形成弥散强化,喷焊层弯曲强度高达675MPa左右,弯曲后喷焊层脆性断裂,锅炉钢管基材及结合层没有裂纹.     

石墨表面化学镀Cu对天然鳞片石墨/Al复合材料热物理性能的影响

对天然鳞片石墨（GF）进行化学镀Cu的表面处理,对化学镀Cu石墨（Cu-GF）和Al粉采用真空热压的工艺制备出镀Cu石墨/Al（Cu-GF/Al）复合材料。研究了Cu-GF/Al复合材料的微观结构和微观界面,同时也研究了Cu-GF对Cu-GF/Al复合材料热导率和抗弯性能的影响。结果表明,GF上的Cu层能抑制界面脆弱相Al₄C₃的产生,使Cu-GF/Al复合材料的抗弯性能有了显著提升。当Cu-GF体积分数从50%增加到70%时,Cu-GF/Al复合材料的抗弯强度也从104 MPa降低到74 MPa。当GF体积分数为70%时,Cu-GF/Al复合材料的热导率达到最高值为522 W/（m·K）。     

Composition and phase structure dependence of mechanical and magnetic properties for AlCoCuFeNix high entropy alloys

In this study, the effects of composition and phase constitution on the mechanical properties and magnetic performance of AlCoCuFeNi_x (x = 0.5, 0.8, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0 in molar ratio) high entropy alloys (HEAs) were investigated. The results show that Ni element could lead to the evolution from face centered cubic (FCC), body centered cubic (BCC) and ordered BCC coexisting phase structure to a single FCC phase. The change of phase constitution enhances the plasticity but reduces the hardness and strength. One of the interesting points is the excellent soft magnetic properties of AlCoCuFeNi_x HEAs. Soft magnetic performance is dependent on composition and phase transition. AlCoCuFeNi_1.5 alloy, achieving a better balance of mechanical and magnetic properties, could be applied as structure materials and soft magnetic materials (SMMs). High Curie temperature (>900 K) and strong phase stability below 1350 K of AlCoCuFeNi_0.5 alloy confirm its practicability in a high-temperature environment. Atomic size difference (δ) is utilized as the critical parameter to explain the lattice strain and phase transformation induced by Ni addition.     

水冷壁管梯度陶瓷涂层的设计与性能研究

针对燃煤电厂锅炉水冷壁爆管问题,研究设计了一种热膨胀系数梯度变化的涂层结构.为了提高涂层与基体的结合强度,计算了涂层及管壁的温度场及热应力场的分布.结果表明:涂层与管壁的界面处热应力最大,并且热应力与涂层的热膨胀系数成正比,通过调整涂料各成分的含量来改变各层的热膨胀系数;采用双层结构梯度涂层,理论计算表明界面处的最大热应力为1.78 MPa;而通过拉伸力学性能测试得出涂层的平均抗剪切强度为5.60 MPa,是界面处最大热应力值的3倍左右.因此,在管壁表面喷涂功能梯度涂层,能够缓和涂层与基体界面间的热应力.     

添加铜网对片层石墨/Al复合材料热物理性能的影响

使用盐浴法对片层石墨（GFs）进行表面镀Si处理,采用真空热压法制备片层石墨/Al复合材料（Si-GFs/Al）。向Si-GFs/Al复合材料中添加10vol%的铜网,研究了铜网对Si-GFs/Al复合材料热导率和力学性能的影响。使用SEM、聚焦离子束（FIB）和TEM对Si-GFs/Al复合材料的微观结构和微观界面进行表征,并分析了复合材料的断裂机制。结果表明,添加铜网使Si-GFs/Al复合材料内部出现了高聚集定向GFs带,形成高导热通道。当GFs体积分数为30vol%~40vol%时,Si-GFs/Al复合材料的热导率提升了约20%,弯曲强度提升了40%以上。当GFs体积分数为40vol%时,Si-GFs/Al复合材料热导率和弯曲强度同时达到一个优值,分别为512 W/（mK）和127 MPa。      

高温中和高温后LVL木纤维复合材的抗弯性能

为研究LVL木纤维复合材在高温中和高温后的抗弯性能,对104个试样进行了温度在20~225℃下的三点静态抗弯测试。研究结果表明,随着温度的升高,高温中和高温后的抗弯强度、抗弯弹性模量、延性系数均明显减小;相对于高温中的试样,高温后的抗弯强度和抗弯弹性模量均明显较高,而延性系数则较低。根据回归分析,提出了LVL在高温中和高温后的抗弯强度与温度的关系模型,该模型预测结果与实测值吻合良好。