高分子材料的制备方法(6篇)

时间：2024-05-18 来源：

高分子材料的制备方法篇1

关键词：光散射；面散射；体散射；共混；共聚

光散射材料是指能够使光通过而又能有效的散射光的材料。透光率和雾度是评定光散射材料的两项主要指标。透光率是指透过试样的光通量和射到试样上的光通量之比。它是表征透明高分子材料透明程度的一个重要性能指标。雾度，又称浊度，是透过试样而偏离入射光方向的散射光与透射光通量之比，是材料内部或表面上的不连续性或不规则性所造成。通常用雾度的大小来表征材料的光散射强弱。

光散射材料能将点、线光源转化成线、面光源，可以作为面光源材料应用指示标牌、广告招牌、展示橱窗、投影背墙以及壁挂式均匀照明光源等，也可以作为背光源材料应用于液晶显示，还可以与液晶元件复合制备高分子分散型散射元件。

1光散射产生的机理

如果媒质的均匀性遭到破坏，即尺度达到波长数量级的邻近媒质小块之间在光学性质上（如折射率）有较大差异，在光波作用下，它们将成为强度差别较大的次波源，而且从它们到空间各点已有不可忽略的光程差，这些次波相干叠加的结果，光场中的强度分布将与上述均匀媒质情形有所不同，这时，除了按几何光学规律传播的光线外，其他方向或多或少也有光线存在，这就是散射光，即产生了散射。对于不均匀形态较大的媒质，光散射也可看作是反射和折射的综合结果。

散射光强除了与入射光的波长、散射角有关外，还与散射体材料的折射率（N）和机体材料的折射率有关。目前，关于散射光强的计算理论，发展还不十分完善。

计算散射光强，最简单的近似理论为Rayleigh-Gans-Debye(RGD)理论。对于半径较大或折射率较大的粒子，要用Mie理论来计算光强。如果粒子达到Mie理论不适用时，就要用传统的射线光学来处理。下面的公式可以用于聚合物光散射材料散射光强的近似计算：

Iv=KI0R3π3λ0-4(n2B-n2)［1+（8/3）2R2υ2sin2(θ/2)］-2

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式中，K为常数，υ=2π/λ，λ为光在介质中的波长，λ0为光在真空中的波长，θ为光散射角，n是介质的平均折射率：n=nAVA+nBVB。

2光散射材料的分类

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根据散射机理的不同可以将光散射材料分为：面散射材料和体散射材料。

传统的光散射材料大多为面散射材料，采用面散射机理，即将透明板材或其它形状制品的一个表面(一般为内表面)打磨，涂层或将其成型模具的相应面做喷砂或刻痕处理，利用它们粗糙的表面来产生光散射。这种材料的一个显著缺点是：它不能较好地兼顾材料的光散射性和透明性，综合性能较差。因而大大限制了它的应用范围。

体散射材料多为分散有光散射体的透明合成材料，起散射作用的散射体的尺寸等于或大于可见光波长。这种材料应用了整体散射机理：即材料的内部与表面均起散射作用，能够很好地克服面散射所固有的弱点，制品具有高的光散射性，较好的透明性及优异的综合性能。目前，它已成为一种新型的背光源材料，逐渐在许多领域取代了传统光散射材料，并进一步扩展了新的应用领域如液晶显示等。

另外，还有一种体-面散射材料，由产生体散射的基板和涂覆在基板上的能够产生面散射的表面组成，即将消光颗粒与涂料共混，涂覆在基板表面，利用涂层的收缩形成表面微结构，同时消光颗粒导致了涂层的光学非均一性，产生光散射。

3光散射材料的制备

3.1面散射材料的制备方法

通过对透明的基体材料表面进行磨砂处理，或利用特殊的成型模具或浮雕辊得到浮雕或喷砂效果的表面，利用材料表面的粗糙度得到散射效果；也有以表面凸凹起伏的高分子材料制备，巧妙设计表面的波纹实现材料的散射效应。面散射材料的制备方法存在着显著的缺点：一方面，散射光的量取决于刻痕和划痕等的数量及分布，使散射发生的不均匀，另一方面折射率和透光率不易控制。

3.2体散射材料的制备方法

体散射材料的制备方法大致分为两种：聚合法和共混法。

3.2.1聚合法

利用折光率有一定差异、相容性不太好的聚合物单体共聚合或采用分段聚合来制备光散射材料。具体又可分为以下几种情况：

①将一种单体混合分散于透明的基体中，使单体聚合，生成的聚合物作为散射体，其折射率不同于透明基体的折射率，因而入射光产生光散射。

②将一种单体混合分散于一种透明材料中，使单体聚合，生成的聚合物作为基体，其折射率不同于透明材料，进而材料产生光散射。

③散射体材料是无机粒子或有机粒子，将散射体粒子分散于基体单体中，使单体聚合生成聚合物基体。

ISHIHARADAM等人以玻璃转化温度低于室温的弹性体橡胶为基体材料，以折射率不同于基体的透明材料（可以是无机粒子或有机物）为散射体，通过聚合法制备了一种光散射材料，广泛应用于照明装置，也可以作为灯箱广告牌的面光源，还可以与透光管和光波导管联用。由于基体的玻璃转化温度低于室温，所以材料在室温下即可操作加工。华南理工大学高峰等人，以不同分子量的聚苯乙烯作为散射材料，将其溶解在甲基丙烯酸甲酯中，通过原位聚合法制备了光散射材料，研究发现PS作为散射体分布在基体PMMA中能够产生散射，PS的分子量要高于临界分子量43900。当聚苯乙烯分子量大于43900，且其质量分数为0.20%-0.3%时散射板性能最优，透光率为73.0%，雾度为74.7%。

近年来，纳米粒子掺杂有机玻璃制备新型复合材料广受关注。张启卫等人通过原位聚合和同步溶胶-凝胶过程制备了PMMA/SiO2杂化材料，研究表明该材料有机/无机两相间的相容性好，材料的透明性好，透光率可达80%左右。清华大学钱志勇等人以纳米Al2O3、SiO2和CaO颗粒,采用三种不同粒度的纳米颗粒利用在位分散法制备了以PMMA为基体的复合光散射材料，成功用于平板显示。其研究指出：由于微粒的散射和纳米粒子的结构特点，随着纳米粒子粒度的减小,复合材料样品板亮度增加,视角变大,整体光学性能变得优异。中国专利03127636.9提供了一种纳米硅改性有机玻璃光散射材料及制备方法。该方法先将纳米SiO2粉末通过高频超声波震荡混入MMA单体中，使其呈乳白色半透明状，加入引发剂及其他组分真空脱气后在90℃预聚合，冷却灌浆入模后在25-100℃处理24-72小时即可得到光散射材料。材料的光谱透过曲线与本体材料相近，光散射分布均匀，可用作照明显示器件。

3.2.2共混法

共混法是通过透明的聚合物基体材料和散射体粒子的共混制备光散射材料的方法。

在共混法中，散射体粒子的制备至关重要。欧洲专利EP0634445报道了一种核壳结构的复合散射粒子，这种光散射复合物以类橡胶的乙烯基聚合物为核，具有一层或多层壳，散射体粒子中含有至少15%的烷基丙烯酸或烷基甲基丙烯酸。日本专利JP04161448中介绍的光散射材料，使用一种粉末状的TiO2，外层涂有交联球形环己顺丁烯-二酰亚胺-苯乙烯共聚物作为散射体粒子，但是成本很高。美国专利Pat.Nos.5237004和5346954中使用了一种具有橡胶核热塑壳的散射体粒子，能够很好的分散于基体中，而基体的抗冲性能和物理性质不受影响，而且核内聚合物的折射率可以调节，也保证了基体良好的透光率。目前，大多数新型光散射材料是采用共混法生产的。因为这种方法与一般聚合物掺混的工艺过程非常类似，特别是对于用量最大的光散射板材，它能够连续化生产，生产率较高。但是共混法制备光散射材料经常会遇到一些问题，例如：粒子与基体材料的相容性差，不易分散于基体材料中；分散相粒子在基体中的分散性能差导致基体材料的透光率下降以及物理性能老化；材料的折光率不易调节，导致光学性质不易调节；分散相粒子坚硬导致材料的抗冲击性能变差等。如何行之有效地克服这些问题，将是今后共混法研究的方向。

4光散射材料的发展方向

目前，光散射材料在照明领域和显示领域得到了广泛的应用，随着光散射材料性能的不断提高和完备，其应用领域将进一步扩大。一些具备特殊功能的光散射材料将会不断被开发出来，例如热可逆记录材料和表面具有自清洁功能的光散射材料等。由于纳米技术的飞速发展，无机掺杂聚合物制备复合光散射材料也将成为研究的一个热点。

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参考文献

［1］IshiharadaMinoru,TanumaItsuo,NaitoKazuo.Lightscatteringmaterial［P］.US5744534.1998-04-28.

［2］孙氏彧,等.高散射材料的透光率和雾度［J］.轻工标准与质量,2000.

［3］魏鹏.超细聚硅氧烷类微球的制备及其在显示硬屏中的应用［D］.上海:华东理工大学,2004.

［4］Oda,Masaharu,Chiba,Issei,Hayashi,Yasuko.Surfacelightsourcedevice,andliquidcrystaldisplaydevice,signdisplayapparatusandtrafficsigndisplayapparatususingthesurfacelightsourcedevice［P］.US6332691.2001-12-25.

高分子材料的制备方法篇2

关键词：放电等离子烧结快速成型技术研究进展

中图分类号：TF124文献标识码：A文章编号：1674-098X（2016）11（a）-0036-02

随着科学研究和工业技术的不断发展进步，航空航天、汽车制造、精密器械等领域对材料性能及加工工艺的要求越来越高。放电等离子烧结具有快速、低温、高度致密化的优点，是一种无切屑、少废料近净成形材料成型工艺，广泛应用于强度高、密度大、质量轻合金材料、陶瓷复合材料等特种材料的制备，是当前关注度最高、研究最热的特种成型工艺之一。国内外高校企业和专家学者通过实验测试和数值模拟等多种方法手段进行了大量研究，推动了此种成型工艺日趋成熟，广泛应用。

1放电等离子烧结机理

放电等离子烧结是一种新兴的压力辅助烧结技术，融合了单轴热压烧结和等离子活化两种技术，具体工艺过程为：在真空环境下，将成型材料粉末（金属、非金属或复合材料均可）密封于导电模具（一般为石墨模具）中，通过模具两端的电极和冲头将脉冲电流施加于模具中需要烧结的成型粉末上，烧结过程同时，对工件施加单轴压力，从而使成型粉末迅速烧结成高性能的材料或零件。放电等离子烧结还可以通过调节烧结温度、轴向压力，调整模具配置，控制烧结材料的晶粒大小和微观结构，是一项非常有发展前景的高新技术。

放电等离子烧结过程包括：轻压跟踪-放电活化阶段，粉末受到压力紧密堆积，施加在工件两端的高强度脉冲电压击穿粉末的氧化膜，产生轻微放电；重压成形-热塑变形阶段，由于粉末放电活化作用，在相对较低的压力和温度下粉末即可极大地提高致密性[1]。放电等离子烧结在利用焦耳热烧结成型的基础上，通过辅助电流激活粉末的活化作用，使粉末颗粒持续保持热塑状态，低压、低温下即可形成高致密化纳米晶体材料，在制造难以熔融在一起或者是熔点较高的复合材料方面具有明显优势。

2放电等离子烧结的究现状

早在20世纪30年代，美国科学家便开始探索利用脉冲电流进行材料烧结，但直到1965年，这项技术才真正应用于实际。放电等离子烧结以其独特的加工优势，吸引了国内外科研人员对其进行了大量研究，其中美、日、韩等国在烧结工艺和烧结材料上做了大量系统研究，技术水平一直处于前列；我国对放电等离子烧结技术的研究起步较晚，但发展迅速，国内高校和科研院所等在放电等离子烧结理论和应用工艺等方面做了深入研究。

2.1实验研究方面

放电等离子烧结实验研究大多围绕材料制备和不同参数对烧结工艺影响两个方面。

对硬质合金的放电等离子烧结研究发现，放电等离子烧结不但可在外界环境要求不高的条件下制备难容合金材料，还能极大提高烧结合金材料的力学性能；采用放电等离子烧结进行钛镍记忆合金加工制备时，可在较短时间内实现钛镍合金致密化[1]，有效解决了熔炼生产无法得到组分均匀和形状复杂的合金这一难题。

放电等离子烧结工艺还常用于制备陶瓷复合材料、电磁材料等功能性材料。研究发现，放电等离子烧结过程中，通过电流激发作用能够有效降低超高温陶瓷材料的烧结温度，控制晶粒的尺寸，使材料快速致密化，以提高陶瓷材料的烧结性能和力学性能；实验表明，应用放电等离子烧结制备磁体，通过脉冲电流的激发作用能够促进磁体的相变，提高磁体的致密性，减少杂质的产生，改善电磁材料性能[2]；应用放电等离子烧结技术对纯碳化硅粉末进行烧结，可成功制备相对密度为98%，晶粒尺寸小于100nm的多晶碳化硅块体。

国内外专家学者还对放电等离子烧结的重要参数如烧结温度、压力、电流强度对成型粉末熔合过程的影响进行了深入研究。研究发现，最佳的烧结温度不应超过粉末颗粒完全熔化的温度。以铝粉放电等离子烧结为例，随着烧结温度的提高，烧结工件的密度、硬度也会随之增强，但过高的温度会使粉末颗粒表面会产生强烈的塑性变形、机械旋转和原子扩散现象，反而使材料性能变差。此外，烧结温度的控制还与粉末颗粒尺寸密切相关。

在烧结升温过程中，烧结颈的增长状况直接影响试件的致密化程度，对于可导电的纳米颗粒，烧结过程的高温会使颗粒局部蒸发、表面氧化膜去除，从而使电流传导更加畅通，确保烧结颈尺寸均匀增长。此外，烧结颈还与材料收缩率变化、颗粒晶向、颗粒结构相关。

2.2模拟研究方面

由于放电等离子烧结工艺中的粉末尺度非常小，受放电等离子烧结粉末成型环境的限制，一般方法很难对烧结过程、成型机理、影响因素进行准确的分析，获取烧结过程中的实时参数和检测也十分困难，因此模拟研究成为放电等离子成型技术不可或缺的研究手段之一。

应用ABAQUS或MATLAB等有限元模拟软件对放电等离子烧结过程进行模拟，可获得粉末、模具、冲头间的温度场分度、热场分布和电场分布，研究发现粉末与模具壁之间的存在着温度梯度和较大压力梯度，模具表面温度和试样温度存在近似线性的关系，导热率低的粉末会形成较大的温度梯度等等。科研人员还通过有限元计算模拟出放电等离子烧结系统的电流密度和温度分布变化，从而提出一种准确捕获温度曲线的参考原则。

有限元法能够模拟出放电等离子烧结过程粉末成型的宏观变化，但从原子尺度解释烧结机制还有一定局限性。因此有学者应用分子动力学模拟将模拟尺度缩小到了原子尺度，在原子尺度下研究各种材料微观特性，实现烧结过程的可视化，准确捕获试验研究无法测量的物理量，具有重要的指导意义。

分子动力学模拟为纳米颗粒的研究提供了一个良好的平台，取得了大量的研究成果，如镍纳米颗粒、铜纳米颗粒、氧化钛纳米颗粒等的烧结，可通过观察两颗粒间烧结颈与收缩率的变化来分析烧结过程。研究发现，由于颗粒间晶向异性，在烧结初期晶向会发生变化，形成不同类型的烧结颈[3]，而颗粒间的表面扩散、粘性流动、塑性变形和表面张力也会对烧结过程产生影响。

3结语

科研人员围绕着放电等离子烧结进行了大量的实验、模拟研究。通过实验研究能够制备出新型特种材料，但无法详细解释材料性能变化的机理；模拟研究虽能够从微观角度揭示烧结模具内各种场的分布，解释简单的烧结机制，但无法与实验M一步融合。随着研究的细化与深入，放电等离子烧结的烧结机制将逐渐被人们揭开神秘的面纱。对于加工难以熔合在一起的合金或高熔点材料，放电等离子烧结表现出明显优势，在金属混合物、多孔材料的制备和不同材料组成的层状复合材料的生产等领域也将有突破性进展。

参考文献

[1]王海兵，刘咏，羊建高，等.电火花烧结的发展趋势[J].粉末冶金材料科学与工程，2005，10（3）：138-143.

[2]张小明.TiNi形状记忆合金的电火花烧结[J].钛工业进展2000（3）：8.

[3]张同亮，刘丹敏，饶光辉，等.SPS制备Mn1.2Fe0.8P0.76

高分子材料的制备方法篇3

关键词：纳米材料;制备方法;应用

德国科学家H.Gleiter教授最先提出纳米晶体材料这一概念，指的是晶粒尺寸在纳米数量级（通常该尺寸<100nm）以下的超细材料，随着时代的进步科技的不断发展，人们对纳米材料的概念也在不断发生转变，理解初期阶段，它是指由纳米超微颗粒通过压制等方法形成的纳米固体或具有一定厚度的薄膜，时至今日，广义的纳米材料是指在材料的三维尺度中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料[1]。

经过时代的演变和发展，纳米材料的概念一直演绎更新，国际上普遍认同凡是尺寸在纳米数量级（1～100nm）或出现纳米效应的超细材料均可认为是纳米材料，在纳米材料中金属纳米粒子一直是人们关注的焦点，金属纳米粒子由于自身的独特性，在医药、光电、电子产业、热学、生物信息等方面具有重要的应用前景，在这些领域有许多新的突破和进展，如Frens采用不同浓度的柠檬酸钠作为还原剂而得到了金纳米颗粒系列，其粒径范围在16～147nm[2];Nersisyam等利用溶胶-凝胶法制造银纳米粒子，通过使用不同的还原剂将银纳米粒子的范围控制在20～50mm[3];王睿等利用乙二醇还原性，在对溶剂进行高温加热的情况下并施以光诱导作用将银纳米粒子的尺寸控制在50nm左右同时得到三角形和圆盘形两种粒子形态[4]。除开金银这些贵重金属，对铜纳米粒子的研究最近也掀起了一股热潮，李延君等人通过对不同温度和不同浓度试剂的调配在极性溶剂中制备了粒径范围在7～70nm的铜纳米粒子[5]。

纳米材料的晶粒尺寸一般在100nm以下数量级，在纳米材料中晶粒的晶界呈多面性，而晶界的体积百分数往往和材料缺陷密度呈正比，体积百分数越大其缺陷密度越高，这种独特的晶粒结构使得纳米材料相对于传统材料呈现出许多的优越性，它的奇特性能包括宏观量子隧道效应、量子尺寸效应、导电性好、力学性能优异等等。

纳米材料其实对我们每个人来说它并不陌生，自然界中就存在许多的天然的纳米材料，比如牙齿、陨石等都是由纳米颗粒组成，而如今大多数国家都将纳米材料制作及技术发展作为重要的科研领域，它在某种程度上反应了一个国家在材料领域的发展水平，时至今日，制备纳米材料的方法多种多样，例如机械研磨、物理粉碎、气相沉积、溶胶法及真空冷凝等方法[6]。针对纳米材料的制备方法按照其原理不同分法亦不相同：发生反应的状态不同主要分为干法（固体之间的反应）和湿法（水溶液里进行的反应）;原料存在的状态不同亦可分为固相法（金属盐或金属氧化物混合后通过煅烧的方法直接发生固相反应）、气相法（物质在气体的状态下发生物理或化学反应）与液相法（可溶性性盐溶液通过蒸发、升华将金属粒子结晶出来）;按制备手段也可分为化学法（沉淀法、相转变法、气溶胶反应法等）、物理法（蒸汽冷凝法、电火花法、离子溅射法等）和综合法（PECVD、LICVD等）。

这些方法各有所长各有所短，比如固相法利用热分解原理得到的产物容易再次凝结成块，需要重新粉碎、搅拌，增加了成本;物理粉碎法相对来说工艺简单、低成本高产量，但是极易引入杂质，造成产物质量纯度低;气相法制备的纳米颗粒纯度较高，与之相应的成本高，对纳米颗粒的粒径尺寸也有要求，这些制备方法既有优势也有自身的劣势，而这些劣势限制了纳米材料的进一步发展。

纳米材料作为材料科学领域的热点焦点，纳米技术也被国际公认为21世纪最具发展力的的科研领域，诺贝尔获奖者Feyneman早年就预言：如果能在极小的尺度下对粒子进行重新组合排列，物质就会显示出不一样的特性。现在我们明白他所说的就是纳米材料，通过对纳米材料中超微颗粒结构的变化得到的独特性能解决科研领域中的许多难题，它的应用领域是非常广泛的，以下列领域为代表：

陶瓷领域纳米技术在陶瓷中的应用越来越流行，其原理是将纳米尺度的陶瓷粉加入瓷釉中，改善传统陶瓷性能，达到抗菌、自净等功能，特别是在力学增强方面，如材料的硬度、强度、韧性等。传统陶瓷的加工工艺离不开高温，可是通过高温烧结会增加材料的脆性，陶瓷的断裂韧度会随着脆性的增加而降低，这就使得传统陶瓷具有易碎的特点，纳米陶瓷材料所需要的温度在传统的基础上可降低接近600℃，同时无需催化剂，大大降低了对材料品质的污染，减少了能耗需要，纳米陶瓷材料在较低的温度下进行烧结，在保留陶瓷硬度的同时增加了它的韧性、弹性形变、耐腐蚀、耐高温高压等特点，新型的陶瓷甚至可以磨削，至此陶瓷材料远离高能耗、易碎。

催化方向纳米技术广泛的渗透到催化领域，纳米催化的出现及关于它相关研究越来越受到更多人的重视，普通的催化剂对温度有较高的要求，但是纳米催化剂对温度的要求较低的，通常在常温后者低温就可以进行，纳米催化剂是超微颗粒，尺寸小，故高表面能高，发生反应后其效果是普通催化剂的数十倍或百倍以上，例如金属纳米粒子Ni和Cu-Zn组成的催化剂与传统的催化剂Ni相比对有机加氢的效率增长了10倍。

医药方面纳米材料在医药方面的应用也有明显的优势，可增加患者的疗效，而纳米技术在医药生产上的应用可以使医疗技术更加细化，同时能研制出普通医药无法比拟具有特定功能的药品，而一些具有纳米技术的仪器在对疾病的诊断方面只需要患者极少的一点的血液，通过对蛋白质、DNA的匹对就可确定出疾病，如果将纳米粒子作为药物载体，那么药物就具有靶向作用，可以直击病灶。使治疗更加直接，而药物产生的毒性也能明显降低。

复合材料复合材料由于其优良的综合性能而广泛应用于光电、航天材料、交通运输等领域，而纳米复合材料更具吸引力，现如今纳米复合材料主要括纳米聚合物基、纳米碳管功能、纳米钨铜，例如Wu-Cu纳米复合物具有较高的综合性能，导电性能优异，传热好，不易发生热膨胀。（作者单位：重庆三峡学院机械学院）

参考文献：

[1]张立德，牟继美.纳米材料和纳米结构.第一版，北京科学出版社，2001年.

[2]FrensG.Regulationoftheparticlesizeinmonodispersegoldsuspensions[J].Nature：PhysicalScience，1973，241（105）：20-22.

[3]NesisyanHH，LeeH，SonHT，etal.MaterialsResearchBulletin，2003，38：949-956.

[4]王睿，等.不同形态银纳米粒子的非线性光学特性.高等学校化学学报.2012，33：149-152.

高分子材料的制备方法篇4

很多人都曾预言在21世纪纳米技术将成为一项最有前途的技术，主要原因在于它具有网络技术和基因技术所不可比拟的优势。正因如此，世界各个国家加大了对纳米技术的研究，投入了大量的人力物力，并相继启动了纳米计划，进一步推动了纳米制备方法的创新。在这种大环境下，我国相关研究者也应当顺时而变，不断提高纳米材料制备水平，创造出多种多样的制备方法。

1纳米材料的性质

纳米材料具有大量界面以及高度的弥散性，它能够为原子提供转成扩散途径。除此之外，纳米材料所表现的力、热等性质，与传统经济材料相比，还具有其自身独特的特性，因此被应用到各个领域。

11力学性质

结构材料开发一直以来都以高韧、高硬、高强为主题。材料制作如果融进了纳米材料的话，其强度就会与粒径成反比。纳米材料的位错密度相对较低，不仅如此，其临界位错圈的直径要远远高于纳米晶粒粒径，通常情况下，增值后位错塞积的平均间距与晶粒相比，略微大一些，这种现象使得纳米材料不会发生位错滑移和增值等相关现象，这就是我们众所周知的纳米晶强化效应。[1]作为一种刀具，金属陶瓷已经有很多年的历史了，然而，其力学强度却一直没有突破，主要原因在于一是金属陶瓷的混合烧结，二是晶粒粗大。如果将纳米技术制成超细或纳米晶粒材料的时候，金属陶瓷的硬度等基本性质就有了大幅度提高，从而在加工材料刀具领域占据了非常重要的位置。现阶段，使用纳米技术制作纤维和陶瓷等产品已经应用到各行各业的领域当中。

12磁学性质

近些年来，计算机硬盘系统的磁记录密度得到了极大地提高，现阶段已经超过了155Gb/cm2，也就是说，感应法读出磁头等已经难以满足社会的需求，然而，如果我们将纳米多层膜系统应用到计算机硬盘系统中，则可以有效提高巨磁电阻效应，其低噪声和灵敏度都能够满足需求。与此同时，我们还可以将其应用在新型的磁传感材料当中。高分子复合纳米材料能够很好地投射可见光，与传统的粗晶材料相比，对可见光的吸收系数要高出很多，然而，该种材料对红外波段的吸收系数则相对较少，正是这个原因，使其能够在光磁系统、光磁材料中被广泛应用。

13电学性质

众所周知，纳米材料的电阻在晶界面上原子体积分数增大情况下要远远高于同类粗晶材料，甚至还会产生绝缘体转变。通过充分利用纳米粒子效应我们可以制作成超高速、超容量、超微型低能耗的纳米电子器具，从长远角度来看，这种做法在不久的将来会有很大的成就，甚至还有可能超过现阶段半导体器件。[2]2001年，相关研究者用碳纳米管制成了纳米晶体管，这种纳米晶体管将晶体三极管的放大属性充分地体现出来。不仅如此，根据碳纳米管在低温下的三极管放大特性，研究者还将室温下的单电子晶体管研制出来。笔者相信，随着研究的不断深入，我们还能够研制出更多的符合社会需求的物品。

14热学性质

与一般非晶体和粗晶材料相比，纳米材料的比热和热膨胀系数值都非常高，界面原子排列相对比较混乱、原子的密度较低等综合作用变弱是导致这种现象的主要原因。正因如此，我们可以将其广泛应用在储热材料等领域，相信会有一个更为广阔的市场。

15光学性质

纳米粒子的粒径要远远低于光波波长。其与入射光之间的作用为交互作用，通过控制粒径和气孔率等途径，光透性可以得到更为精准的控制，这也是其为什么能够在光感应和光过滤中得到大范围应用的主要原因。[3]纳米半导体微粒的吸收光谱由于受量子尺寸效应的影响，通常都会存在一种蓝移现象，它的光吸收率非常大，因此，我们可以将其广泛应用在红外线感测器材料。

16生物医药材料应用

与红血细胞相比，纳米粒子相对较小，它能够在血液中运动自如，那么，如果我们将纳米粒子应用到机器人制作当中，并将其注入人体血管内，就可以实现全方位的检查人体，将人体脑血管中的血栓清除干净，甚至还可以将心脏动脉脂肪沉积物等消除，除此之外，还可以将这种机器人应用到吞噬病毒，杀死癌细胞。纳米材料也可以应用到医药领域，能够极大地促进药物运输。

2纳米材料的制备方法

21液相法

液相法其实就是指在一定的方法下将潜在溶液中的溶剂和溶质通过一定的方法进行分离，在这种情况下，溶剂中的溶质就能够逐步形成一种颗粒，不仅如此，这些颗粒的大小甚至这些颗粒的形状都是一定的，在此基础上，我们可以热解处理这些前躯体，经过上述步骤，就可以制备一定的纳米微粒。液相法的有点数不胜数，包括制备的设备相对简单，制备材料容易获得等。现阶段，液相法的发展情况相对较为广泛，得到了大家的普遍关注。具体来说，可以包括沉淀法和溶胶―凝胶法。这两种方法是液相法中比较常用的方法，方便、简单，是很多研究者进行纳米材料制备时候的首选方法。

22气相法

所谓气相法主要是与液相法相对来说的一种纳米制备方法，其应用范围要略微低于液相法。该种方法是指通过一定的手段，在一定条件下直接将物质转变为气体，然后再使气态物质在气体的条件下逐步发生物化反应，最后，我们就可以通过凝聚处理等方式，形成一定量的纳米微粒。[4]从该种纳米材料制备方法的制备过程和制备的条件来看，其具有其他制备方法无法比拟的优势，具体来说，主要包括以下几个方面：

一是制备的纳米微粒粒径存在较小的差异，且能够实现均匀分布；二是我们能够轻易地控制纳米微粒的力度；三是微粒的分散性要远远高于其他同类制备方法。如果将气相法和液相法放在一起进行比较，我们不难发现，气相法能够以自身独有的优势将那些液相法所不能够生产出来的纳米微粒生产出来，由此可见，该种制备方法的优势非常明显。[5]

化学气相法的应用范围非常广泛，其又被相关研究者称之为气相沉淀法，英文名称简称为CVD，它能够充分利用金属化合物的挥发属性，并通过化学反应等途径，使所需要的化合物在保护气体环境下迅速冷凝，这样才能够制作出各类物质的纳米微粒，在气相法中，该种方法是一种比较典型的应用，当然，其也是一种运用比较广泛的制备方法。[6]运用该种方法所制备的纳米微粒颗粒比较均匀，且具有较高的纯度，分散性也相对较强。根据加热的方式方法不同，我们可以将该种方法进行分类，例如可以将其分为热化学气相沉积法、激光诱导沉积法等。

高分子材料的制备方法篇5

【关键词】纳米增强制备方法优缺点

随着科技进步，各个领域对于相关材料的性能要求日益提高。纳米增强技术是改善材料性能的重要方法之一，其在金属材料领域尤其应用广泛。在电子、汽车、船舶、航天和冶金等行业对高性能复合材料需求迫切，选用最佳制备方法制备出性能更优良的纳米材料是当前复合材料发展的迫切要求。

1纳米增强技术概述

纳米相增强金属材料是由纳米相分散在金属单质或合金基体中而形成的。由于纳米弥散相具有较大的表面积和强的界面相互作用，纳米相增强金属复合材料在力学、电学、热学、光学和磁学性能方面不同于一般复合材料，其强度、导电性、导热性、耐磨性能等方面均有大幅度的提高[1]。

1.1机械合金化法

机械合金化法（MA）是一种制备纳米颗粒增强金属复合材料的有效方法。通过长时间在高能球磨机中对不同的金属粉末和纳米弥散颗粒进行球磨，粉末经磨球不断的碰撞、挤压、焊合，最后使原料达到原子级的紧密结合的状态，同时将颗粒增强相嵌入金属颗粒中。由于在球磨过程中引入了大量晶格畸变、位错、晶界等缺陷，互扩散加强，激活能降低，复合过程的热力学和动力学不同于普通的固态过程，能制备出常规条件下难以制备的新型亚稳态复合材料。

1.2内氧化法

内氧化法（Internaloxidation）是使合金雾化粉末在高温氧化气氛中发生内氧化，使增强颗粒转化为氧化物，之后在高温氢气气氛中将氧化的金属基体还原出来形成金属基与增强颗粒的混合体，最后在一定的压力下烧结成型。因将材料进行内氧化处理，氧化物在增强颗粒处形核、长大，提高增强粒子的体积分数及材料的整体强度，这样可以提高材料的致密化程度，且可以改善相界面的结合程度，使复合材料的综合力学性能得到提高。

1.3大塑性变形法

大塑性变形法（Severeplasticdeformation）是一种独特的纳米粒子金属及金属合金材料制备工艺。较低的温度环境中，大的外部压力作用下，金属材料发生严重塑性变形，使材料的晶粒尺寸细化到纳米量级。大塑性变形法有两种方法：等槽角压法（ECA）和大扭转塑性变形法（SPTS）。

1.4粉末冶金法

粉末冶金法（PM）是最早制备金属基复合材料的方法，技术相对比较成熟。其工艺为：按一定比例将金属粉末和纳米增强颗粒混和均匀、压制成型后进行烧结。

1.5液态金属原位生成法

原位反应生成技术[2]（In-situsynthesis）是近年来作为一种突破性的金属基复合材料合成技术而受到国内外学者的普遍重视。其增强的基本原理是在金属液体中加入或通入能生成第二相的形核素，在一定温度下在金属基体中发生原位反应，形成原位复合材料。

除上述几种常用的纳米增强制备方法外，还有真空混合铸造法、纳米复合镀法等[3]。

2纳米增强制备工艺优缺点比较

对以上几种纳米增强制备技术在工艺及质量性能方面的优缺点进行分析：

2.1工艺复杂性及成本和产量方面

机械合金法：制备成本低、产量高、工艺简单易行，但是能耗高；内氧化法：制备工艺简单、有利于规模生产，但是生产成本高；大塑性变形法：制备工艺简单、成本低、不可规模生产；粉末冶金法：制备工艺复杂但成熟、生产成本高、效率低；原位生成法：工艺性差、制备成本高、不适于规模化生产。

2.2制备材料质量和性能

机械合金法：各项性能良好，硬度提高明显，能制备常规条件难以制备的亚稳态复合材料，但增强粒子不够细化，粒径分布宽，易混入杂质；内氧化法：提高增强粒子的体积分数，改善相界面结合程度，综合力学性能得到提高，但内部氧化剂难以消除，易造成裂纹、空洞、夹杂等组织缺陷；大塑性变形法：组织晶粒显著细化，无残留孔洞和夹杂，粒度可控性好，但粒度不均匀，增强粒子产生范围小；粉末冶金法：材料性能好，增强相含量可调，增强相分布均匀，组织细密，但材料界面易受污染；原位生成法：材料热力学稳定，力学性能优良，且界面无杂质污染，但增强颗粒限于特定基体中，增强相颗粒大小、形状受形核、长大过程影响。

上述分析可以得出，粉末冶金法技术最为成熟，机械合金法工艺最为简单易行，内氧化法有利于大规模生产，金属液态原位生成法最具有发展前景。王自东[4]等人应用金属液态原位生成纳米增强技术，使得金属材料强度大幅度提高的同时，塑性也能大幅度提高，解决了增强同时增韧或增强同时塑性不下降这一世界难题。以锡青铜为例：强度从270Mpa提高至535Mpa，延伸率从12%提高至38%，冲击韧性从14提高至39。这项技术成果独立于国外，优于国外，为我国原创。

3结语

纳米增强金属材料在工程方面具有广泛应用领域和前景，例如：我国目前建筑用钢约4亿吨，如采用该技术，至少可节约10%的用量，在节约资源，节能减排，提高效率等方面意义重大！其它主要应用领域有：铁路应用的高铁输电电缆、高铁车轴、轨道、车辆走行部分、车钩等需要满足强度要求又需满足如导电性、韧性、耐疲劳性、减轻结构重量等特殊要求的领域。船舶中大量的铜合金泵、阀和管材，材料大幅增强、增韧后可减少用材10%-20%。轧制低于8μm的铜箔用于柔性印刷电路板的覆铜，减少用铜、减轻重量、降低成本等。武器装备中装甲用钢、舰船壳体钢、飞机起落架用钢，以及航空、航天等领域都有着广泛的应用前景。

我们要继续开发新型的具有高性能价格比、工艺简单、适于大规模生产且符合我国工业现状的纳米增强制备技术。

参考文献：

[1]郝保红，喻强，等.颗粒增强金属基复合材料的研究（一）.北京石油化工学院学报，2003.

[2]王庆平，姚明，陈刚.反应生成金属基复合材料制备方法的研究进展[J].江苏大学学报，2003.

高分子材料的制备方法篇6

关键词:梯度功能材料，复合材料，研究进展

Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料，特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力，直接体现国家的科学技术水平和经济实力，也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此，新材料的开发与研究是材料科学发展的先导，是21世纪高科技领域的基石。

近年来，材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因，一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。

1FGM概念的提出

当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2，其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差，传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料，如金属基陶瓷涂层材料，由于各相的热胀系数和热应力的差别较大，很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面，消除物理性能的突变，使热应力降至最小[3]。

随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分类

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2，因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:

1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料，可以大大地提高粘结强度;

2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;

3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;

4)用FGM代替传统的均匀材料涂层，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

2.2FGM的分类

根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。

3FGM的应用

FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入，人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化，可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM，并可望应用于许多领域。

功能

应用领域材料组合

缓和热应

力功能及

结合功能

航天飞机的超耐热材料

陶瓷引擎

耐磨耗损性机械部件

耐热性机械部件

耐蚀性机械部件

加工工具

运动用具:建材陶瓷金属

陶瓷金属

塑料金属

异种金属

异种陶瓷

金刚石金属

碳纤维金属塑料

核功能

原子炉构造材料

核融合炉内壁材料

放射性遮避材料轻元素高强度材料

耐热材料遮避材料

生物相溶性

及医学功能

人工牙齿牙根

人工骨

人工关节

人工内脏器官:人工血管

补助感觉器官

生命科学磷灰石氧化铝

磷灰石金属

磷灰石塑料

异种塑料

硅芯片塑料

电磁功能

电磁功能陶瓷过滤器

超声波振动子

磁盘

磁头

电磁铁

长寿命加热器

超导材料

电磁屏避材料

高密度封装基板压电陶瓷塑料

压电陶瓷塑料

硅化合物半导体

多层磁性薄膜

金属铁磁体

金属陶瓷

金属超导陶瓷

塑料导电性材料

陶瓷陶瓷

光学功能防反射膜

光纤;透镜;波选择器

多色发光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半导体

稀土类元素玻璃

能源转化功能

MHD发电

电极;池内壁

热电变换发电

燃料电池

地热发电

太阳电池陶瓷高熔点金属

金属陶瓷

金属硅化物

陶瓷固体电解质

金属陶瓷

电池硅、锗及其化合物

4FGM的研究

FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。

4.1FGM设计

FGM设计是一个逆向设计过程[7]。

首先确定材料的最终结构和应用条件，然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构，以及制备和评价方法，最后基于上述结构和材料组合选择，根据假定的组成成份分布函数，计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数，就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布，此时的组成分布函数即最佳设计参数。

FGM设计主要构成要素有三:

1)确定结构形状，热—力学边界条件和成分分布函数;

2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;

3)采用适当的数学—力学计算方法，包括有限元方法计算FGM的应力分布，采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。

FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合，借助于计算机辅助设计系统，得出最优的设计方案。

4.2FGM的制备

FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段，实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布，从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM)，自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法，激光熔覆法，电沉积法，气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形，然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性，可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高，适用于制造形状比较简单的FGM部件，但工艺比较复杂，制备的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点，但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时，发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应，此后化学反应在自身放热的支持下，自动持续地蔓延下去，利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：

SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系，金属与陶瓷的发热量差异大，烧结程度不同，较难控制，因而影响材料的致密度，孔隙率较大，机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2，Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3喷涂法

喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺，适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常，将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内，并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上，其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等离子喷涂法(PS)

PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物，形成等离子体，其温度高达1500K，同时处于高度压缩状态，所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流，速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中，粉末颗粒被加热熔化，有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应，随后被雾化成细小的熔滴，喷射在基底上，快速冷却固结，形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例，调节等离子射流的温度及流速，即可调整成分与组织，获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成，沉积效率高，无需烧结，不受基体面积大小的限制，比较容易得到大面积的块材[10]，但梯度涂层与基体间的结合强度不高，并存在涂层组织不均匀，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上，然后以高功率的激光入射至A并使之熔化，便会产生用B合金化的A薄涂层，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比，在上述覆层熔覆的同时注入，在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程，就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度，以及熔区的深度来获得，熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能，但由于激光温度过高，涂层表面有时会出现裂纹或孔洞，并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

4.2.3.3热喷射沉积[10]

与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化，并喷涂到基底上凝固，因此，建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中，这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固态，混入金属液滴而被涂覆在基底，形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中，通过连续地改变增强颗粒的馈送速率，热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。

4.2.3.4电沉积法

电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理，将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中，通过注入另一相的悬浮液使之混合，并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度，在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃，涂层的主要材料为TiO2-Ni，Cu-Ni，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层，以改变固体材料的表面特性，提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能，该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低，精度易控制，生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5气相沉积法

气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度，在厚度方向上实现组分的梯度化，适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制备出大厚度的梯度膜，与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。

化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合，在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度，精确地控制材料的组成、结构和形态，并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化，可得到按设计要求的FGM。另外，该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM，因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。

物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质，使其蒸发为气相，然后沉积于基材上，形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低，对基体热影响小，但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形变与马氏体相变[8]

通过伴随的应变变化，马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此，在合适的温度范围内，可以通过施加应变(或等价应力)梯度，在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%，Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围，但能提供一个简单的方法，可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料，这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。

4.3FGM的特性评价

功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计，为成分设计数据库提供实验数据，目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前，对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前，日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。

5FGM的研究发展方向

5.1存在的问题

作为一种新型功能材料，梯度功能材料范围广泛，性能特殊，用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决，主要表现在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；

2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；

3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；

4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单，还不具有较多的实用价值;

6)成本高。

5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]

1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；

2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；