FGM:功能梯度材料

功能梯度材料(functionally gradient materials, FGM)

具有成分、组织结构、密度等理化性能沿某一方向连续(或阶梯式)变化，从而使材料两端呈现截然不同性能和不同功能的材料。FGM是20世纪80年代首先由日本科学家提出并开展研究的。它不仅包括陶瓷、炭素等材料，还包括金属材料。

结构与性能    FGM和其他材料结构和性能的比较见图1。

FGM的分类    目前研究涉及含碳及碳化物的FGM若按其组分物质分类主要可分成两类(见表)。

FGM制作方法    FGM的制造方法有以下3种。

(1)气相合成法。分物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两种方法。气相合成法适于合成组织致密，具有组成变化的材料。所得材料的各部分是分子水平上的混合体。这是炭质或含碳功能梯度材料的主要合成方法。

1)PVD法。可以加热蒸发金属，使其在基板上析出沉积，也可以在金属、半金属的蒸气中导入氧、氮、碳氧化合物等的气体，使之反应合成并在陶瓷基板上析出。常见的PVD法有真空蒸镀法、溅射法、离子镀法等。利用PVD法可以制取Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN、Cr-Cr2G等系列FGM。制取FGM的HCD型(中空阴极放电)PVD装置见图2。

2)CVD法。这是利用热、光、电子的能量，使原料气体分解或发生化学反应而得到固体沉积产物的过程。图3为CVD装置示意图。利用这种方法，一般用来制取C-SiC、C-TiC系列FGM。

(2)薄膜叠层法。如图4所示，将炭粉、陶瓷粉、黏结剂混合，制成薄层，再将不同粉体组成比例的薄层叠加、脱黏结剂、烧结，制成FGM。

(3)自热反应法(烧结合成法)。把包含组成化合物元素的粉体和金属粉按梯度组成混合后充填在模具中，冷等静压成型，而后放入反应容器，在成型体一端点火引发反应，在反应中，为使材料致密，必须伴随材料体积收缩而施加一定的气压，该方法适用于硼化物、碳化物、氮化物的合成。

FGM的功能与应用    由于材料中不存在明显的界面，避免了受热的热应力造成的破坏，因而具有缓和热应力的功能等等。可用作核反应堆第一壁及电绝缘材料，陶瓷发动机部件，生物材料，电池及电子材料等。