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梯度材料的概况及其应用

概述： 功能梯度材料^[1-3,7-12]（Functionally Graded Materials,简称FGM）是采用先进的材料复合技术, 使材料的组成、结构沿厚度方向呈梯度变化的一种新型的非均质复合材料。FGM的概念是由日本学者平井敏雄、新野正之等人于1987 年提出的为了解决在设计制造新一代航天飞机的热应力缓和问题的材料。在航天飞机推进系统并列喷气燃烧器或再用型火箭燃烧器中, 由于气体燃烧温度高达2000℃ , 燃烧室壁承受的热负荷可达100MW/m², 因此用做燃烧室壁的材料对耐热性、隔热性、耐久性和强韧性有很高的要求。最初研究的FGM是表面使用温度达2000K、表里温度相差约1000K 的新型超耐热材。

梯度功能材料的结构特征及其特点

从材料的结构角度来看，梯度功能材料与均一材料、复合材料不同。它是选用两种（或多种）性能不同的材料，通过连续地改变这两种（或多种）材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能材料。

关于FGM 的特点，可以从材料的组合方式来看，FGM可分为金属/合金，金属/ 非金属，非金属/陶瓷、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷等多种组合方式，因此可以获得多种特殊功能的材料。这是FGM的一大特点，FGM的特点也可以从材料的组成的变化来看，FGM可分为（1）梯度功能涂覆型，即在基体材料上形成组成渐变的涂层。（2）梯度功能连接型,即是粘接在两个基体间的接缝组成呈梯度变化。（3）梯度功能整体型，即是材料的组成从一侧向另一侧呈梯度渐变的结构材料。因而，可以说FGM具有巨大的应用潜力，这是FGM的另一大特点。

功能梯度材料(FGM)的特性是材料组成和结构是连续的，性质和功能均沿着厚度的方向呈现梯度变化,它不同于常规的均质材料和复合材料。在均质材料中，A和B两种组元混合后呈均匀分布，无界面，如图1-4(a)所示；

复合材料中A和B两种组元混合后有界面存在，如图1-4(b)所示，在该界面处材料的成分和性能是突变的，故存在界面热应力，容易产生剥离、界面反应等；功能梯度复合材料从表面看与层压复合材料一样，一侧是一种材料，另一侧是另一种材料，但其内部从一种材料到另一种材料随成分、组织的连续变化，其特性也发生缓慢的变化，不存在界面带来的问题，如图1-4(c)所示。

功能梯度材料最初是由日本学者新野正之等人提出来的，设计思想是材料的结构，组成在空间上呈连续变化，整体呈不对称结构，沿着厚度的方向材料的性质和功能呈梯度变化。基于这种设计思想，本文通过材料梯度设计，制备出抗静电聚酰亚胺功能梯度材料，是功能梯度材料可以具有更加广泛的应用领域。

本文采用薄膜积层法制备出抗静电效果呈梯度变化变化的梯度材料，与单层复合薄膜对比，考察了所制备材料的电性能，层与层之间的粘结情况，表面粒子分散情况及材料的热稳定性能。

梯度材料制备

上一章节中由电阻数值及电镜分析可以看出，当聚苯胺与炭黑比例为1:2时，粒子分散性和抗静电效果最好，因此本节在此基础上制备材料性质和结构连续呈梯度变化的梯度材料。