摘 要:本文介紹了梯度功能材料(functionally graded materials簡寫為FGM)的基本概念、分類、性質和製備方法的基本原理, 綜述了國內外FGM的研究和應用現狀, 提出了FGM在應用方面尚需解決的一些問題，並展望了梯度功能材料的發展前景與方向。
關鍵詞:梯度功能材料,複合材料,研究進展
Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.
Key words :FGM；composite；the Advance
0 引言
資訊、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱。現代高科技的競爭在很大程度上依賴於材料科學的發展。對材料,特別是對高效能材料的認識水平、掌握和應用能力,直接體現國家的科學技術水平和經濟實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標誌。因此,新材料的開發與研究是材料科學發展的先導,是21世紀高科技領域的基石。
近年來,材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因,一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型複合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高效能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，並且它也可廣泛用於其它領域，所以它是近年來在材料科學中湧現出的研究熱點之一。
1 FGM概念的提出
當代太空梭等高新技術的發展，對材料效能的要求越來越苛刻。例如：當太空梭往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大於5MW/m2, 其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對於如此大的熱量必須採取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達 1000K以上的溫差,傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若採用多相複合材料,如金屬基陶瓷塗層材料,由於各相的熱脹係數和熱應力的差別較大,很容易在相界處出現塗層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在於基底和塗層間存在有一個物理效能突變的介面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人於1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變介面,消除物理效能的突變,使熱應力降至最小[3]。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，採用先進複合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2 FGM的特性和分類
2.1 FGM的特殊效能
由於FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統複合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統複合材料相比FGM有如下優勢:
1)將FGM用作介面層來連線不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作塗層和介面層可以減小殘餘應力和熱應力;
3)將FGM用作塗層和介面層可以消除連線材料中介面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替傳統的均勻材料塗層,既可以增強連線強度也可以減小裂紋驅動力。
2.2 FGM的分類
根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化 FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能塗敷型（在基體材料上形成組成漸變的塗層），梯度功能連線型（連線兩個基體間的介面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱 FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3 FGM的應用
FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM 研究的不斷深入,人們發現利用組分、結構、效能梯度的變化,可製備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,並可望應用於許多領域。
功 能
應 用 領 域 材 料 組 合
緩和熱應
力功能及
結合功能
太空梭的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材 陶瓷 金屬
陶瓷 金屬
塑料 金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石 金屬
碳纖維 金屬 塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料 輕元素 高強度材料
耐熱材料 遮避材料
耐熱材料 遮避材料
生物相溶性
及醫學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節
人工內臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學 磷灰石 氧化鋁
磷灰石 金屬
磷灰石 塑料
異種塑料
矽晶片 塑料
電磁功能
電磁功能 陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁碟
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板 壓電陶瓷 塑料
壓電陶瓷 塑料
矽 化合物半導體
多層磁性薄膜
金屬 鐵磁體
金屬 鐵磁體
金屬 陶瓷
金屬 超導陶瓷
塑料 導電性材料
陶瓷 陶瓷
光學功能 防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發光元件
玻璃鐳射 透明材料 玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導體
稀土類元素 玻璃
能源轉化功能
MHD 發電
電極;池內壁
熱電變換髮電
燃料電池
地熱發電
太陽電池 陶瓷 高熔點金屬
金屬 陶瓷
金屬 矽化物
陶瓷 固體電解質
金屬 陶瓷