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15. 新型功能材料 New functional materials 15.1 智能功能材料 Smart Functional Materials 引 言 材料发展的总趋势： 高性能化、多功能化、复合化、精细化、智能化 … 智能材料定义 所谓智能材料就是同时具有感知功能即信号感受功能、自己判断并自己作出结论的功能和自己指令并自己进行行功的功能的材料。智能材料也称为机敏材料。 具体来说智能材料需具备以下内涵: (1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等； (2)具有驱动功能，能够响应外界变化； (3)能够按照设定的方式选择和控制响应； (4)反应比较灵敏、及时和恰当。 (5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。 感知、信息处理（判断）和执行（处理）功能是智能材料必须具备的三个基本要素。 智能材料的类型 (1)金属系智能材料 智能材料的应用 （3）抑制振动和噪声 （4）用于机器人 （5）在医学领域的应用 （6）用于日常生活 15.2 梯度功能材料 Functionally Gradient Materials 许多结构件会遇到各种服役条件，因此要求材料的性能应随构件位置不同而不同。 刀具只需刃部坚硬，其它部位需要具有高强度和韧性； 齿轮轮体必须有好的韧性，表面必须坚硬和耐磨； 涡轮叶片的主体必须具有高强度、高韧性和抗蠕变，而它的外表面必须耐热和抗氧化。 诸如此类，工程应用的许多材料都属于这个范畴。 构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集中。如果一种材料过渡到另一种材料是逐步进行的，这些应力集中就会大大地降低。 为减少材料的应力集中，提高材料性能，人们发展了新型的功能梯度材料(简称FGM) 。 梯度功能材料是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚合物等)于一体的新型材料，其微观结构和物理、化学、生物等单一或综合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能。 梯度功能材料由几种性质不同的材料组成，但与复合材料之间有明显区别。 梯度功能材料主要通过连续控制材料的微观要素(包括组成、结构)，使界面的成分和组织呈连续性变化，主要特征有： 材料的组分和结构呈连续性梯度变化； 材料内部没有明显的界面； 材料的性质也呈连续性梯度变化。 梯度功能材料的制备技术和方法： 化学气相沉积法(CVD) 物理蒸镀法(PVD) 等离子喷涂法(PS) 颗粒梯度排列法 自蔓延高温合成法(SHS) 液膜直接成型法 自蔓延高温合成法 利用粉末混合物化学反应产生的热量和反应自传播性，通过初始反应物浓度分布的空间变化，使材料燃烧和合成来制备FGM的方法称为自蔓延高温合成法。 该法的特点是利用放热反应的能量使化学反应自动持续下去，操作简单，反应迅速，最适合于生成热大的化合物的合成．如AlN、TiC、TiB2等。 颗粒梯度排列法 将金属、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到模具中加压烧结；也可将不同组分粉末压成薄膜/片后进行叠层烧结。 控制各组分混合比，使粉坯梯度层间任一组分浓度变化较小，梯度层间接合紧密。 调节粉末粒度分布和烧结工艺，可得具有良好热应力缓和的梯度功能材料。 液膜直接成型法 将聚乙烯醇配制成一定浓度的水溶液，加一定量单体丙烯酰胺及其引发剂与交联剂，形成混合溶液，经溶剂挥发、单体逐渐析出，母体聚合物交联、单体聚合与交联形成聚乙烯醇-丙烯酰胺复合膜材料。 梯度功能材料的应用 航天工业 航天飞机在往返大气层的过程中，机头前端和机翼前沿服役温度约2000K，冷表面的温度低于1000K。 把直径为1~1.5?m的高纯石英纤维加压成型，1290℃烧成后再按要求切成外形不同、大小不等的“砖块”，粘贴到航天飞机蒙皮上。这种复合材料防热系统的重复使用性、可靠性等存在较大问题。 2003年2月，“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因就是航天飞机的左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料的撞击，造成机体表面隔热保护层出现大面积松动和破损，形成可让“热气进入的空洞”，返航途中因超高温空气的进入而彻底解体。 船舶工业 在舰船甲板上可采用含抗热障、抗摩擦或抗冲击的梯度功能材料涂层，或设计连续增强纤维排列的逐级梯度，显著提高其缺口阻力，抑制微观裂纹扩张，大幅改善甲板的抗高速应变和冲击的能力，对舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义。 汽车工业 为对柴油机或汽油机活塞头进行热保护，需在钢基底上喷涂厚度大于2mm的ZrO2涂层。如果直接在金属上覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。 通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属-陶瓷复合梯度涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。 能源工业 核反应堆内壁温度高达数千K，其内壁材料采用单纯双层结构，热传导不好，孔洞较多，热