在金屬和陶瓷兩相層合材料中，兩相材料的熱失配會(huì)在陶瓷/金屬界面處形成較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致界面的剝離或表面的開裂。如果在金屬和陶瓷兩相材料間引入組分連續(xù)變化的功能梯度層，那么材料內(nèi)部的熱應(yīng)力就可以得到很大的緩解，進(jìn)而提高材料抵抗破壞的能力。按照上述思想設(shè)計(jì)的功能梯度材料具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）削弱界面交界處的應(yīng)力集中和奇異性； （2）與突變的界面相比，可以通過在成分中引入連續(xù)的或逐級(jí)變化的梯度來提高不同固體（如金屬和陶瓷）之間的界面結(jié)合強(qiáng)度； （3）具有良好的耐熱性能，使熱應(yīng)力峰值降至最小； （4）在給定的熱機(jī)械載荷下，延緩塑性屈服及失效的發(fā)生； （5）可以通過調(diào)整界面力學(xué)性能的梯度變化來降低裂紋沿著或穿過界面繼續(xù)擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力。

熱應(yīng)力緩和型功能梯度材料，用于日本 HOPE 衛(wèi)星的小推力火箭引擎和熱遮蔽材料上。功能梯度材料用作太陽能、宇宙射線能、核能、半導(dǎo)體以及其它所有能量轉(zhuǎn)換中的介質(zhì)材料，從而大幅度地提高了既有的熱—電、光—電轉(zhuǎn)換材料的轉(zhuǎn)換效率。

2.2.1 混料工序

按 ZrO2 與 NiCr 的體積分?jǐn)?shù)比為 10:0、 9:1、 8:2、 7:3、 6:4、 5:5、 4:6、3:7、 2:8、 1:9 和 0:10，將陶瓷粉末和金屬粉末進(jìn)行混合，根據(jù)兩種粉末的密度將體積分?jǐn)?shù)比換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)比， 在稱料時(shí)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)比分別稱取 ZrO2 粉末和 NiCr 粉末。將稱量好的兩種粉末放入球磨罐中，加入適量的分析純乙醇和氧化鋯小球，球料比大約為 1:1，在混料機(jī)上濕混 4h，轉(zhuǎn)速為 300rpm；然后，將濕混后的混合粉末放入研缽中，在電阻爐（DC-B-23）加溫至 300℃，將乙醇蒸發(fā)。在烘干過程中，要用玻璃棒不斷攪拌混合粉末，以防止粉末發(fā)生團(tuán)聚。

2.2.2 冷壓工序

在冷壓均勻材料時(shí)，首先在混合粉末中加入適量的分析純乙醇，這樣可以增加粉末的流動(dòng)性，便于成型。然后將混合粉末填入冷壓模具中，并在適當(dāng)?shù)膲毫ο聣褐啤２煌M分比的混合粉末的最佳成型壓力各有不

同，壓力范圍在 18MPa 至 120MPa，壓力選擇原則為：金屬含量高的混合粉末的最佳成型壓力較高；陶瓷含量高的混合粉末的最佳成型壓力較低。

在冷壓功能梯度材料試件時(shí)，將不同組分比的混合粉末以層層堆垛的方式放入冷壓模具中，并在最佳成型壓力下壓制成素坯。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，最佳的成型壓力為~30MPa。在層層堆垛過程中，為了保持不同組分比粉末層的表面平整，可先用刮板刮平已鋪好的粉末層并用手工方式壓實(shí)該層，然后再鋪放下一組分比的粉末層。

熱壓工藝為：在 700℃ 時(shí) 保 溫 0.5h ， 使 分 析 純 乙 醇 蒸 發(fā) ； 然 后 ， 以10℃/min 的升溫速度升溫至 1300℃，在溫度升至 900℃時(shí)開始加壓，加壓速度為 0.1MPa/min，約在 1200℃時(shí)壓力加至 5MPa；溫度升至 1300℃，保溫1.5h，保持壓力 5MPa。在燒結(jié)過程結(jié)束后，燒結(jié)爐內(nèi)的溫度開始下降。在溫度從 1300℃下降至 1000℃期間，降溫速度為 10℃/min。在溫度從 1000℃下降至 800℃期間，降溫速度要適當(dāng)調(diào)低。這是由于在 1000℃至 800℃間 ZrO2 要發(fā)生相變，并產(chǎn)生相變應(yīng)力。如果降溫速度過快，試件內(nèi)的相變應(yīng)力不能得到及時(shí)緩解，會(huì)導(dǎo)致試件開裂。多次燒結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明： 5℃/min 的降溫速度可

以有效地緩解相變應(yīng)力，使材料在降溫過程中不發(fā)生開裂。當(dāng)溫度降至 800℃后，卸掉熱壓機(jī)的壓力，降溫速度調(diào)整為隨爐冷卻。在燒結(jié)過程中，不斷地抽真空，保持爐內(nèi)的高真空度，防止試件氧化。

2.7 本章小結(jié)

本章主要介紹了粉末冶金法制備 ZrO2/NiCr 體系功能梯度材料的具體過程和工序，并對(duì)材料制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)， 總結(jié)了關(guān)鍵技術(shù)問題。在制備功能梯度材料時(shí)應(yīng)注意一下幾點(diǎn)：

1. 在冷壓過程中，對(duì)于金屬含量高的混合粉末可以使用較高的成型壓力，而在壓制陶瓷含量高的混合粉末時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低成型壓力。

2. 熱壓燒結(jié)功能梯度材料時(shí)，素坯的陶瓷層應(yīng)與模具的下墊片接觸，素坯的金屬層與模具的壓頭接觸。

3. 燒結(jié)功能梯度材料和陶瓷含量高的均勻材料時(shí)，壓力應(yīng)緩慢施加，壓力施加過快會(huì)使試件開裂。

4. 在 ZrO2 相變溫度區(qū)內(nèi)，要適當(dāng)降低降溫速度，使其相變應(yīng)力得到充分緩解。

采用上述工藝又制備了 11 種材料組分比的 ZrO2-NiCr 均勻材料，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)功能梯度材料和均勻材料的顯微結(jié)構(gòu)、 致密度、維氏硬度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量和斷裂韌性進(jìn)行了分析與測(cè)試。

3.5 本章小結(jié)

本章通過實(shí)驗(yàn)研究了 ZrO2/NiCr 體系功能梯度材料的微結(jié)構(gòu)對(duì)其宏觀力學(xué)性能的影響，測(cè)試了功能梯度材料試件和不同組分比均勻復(fù)合材料試件的力學(xué)性能，并對(duì)功能梯度材料的微結(jié)構(gòu)和不同組分比均勻復(fù)合材料的斷口形貌進(jìn)行了觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，材料微結(jié)構(gòu)的變化會(huì)引起材料力學(xué)性能的變化。主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

1. 在富金屬側(cè)，陶瓷顆粒以夾雜相的形式分布在金屬基體中；隨著陶瓷含量的增加，逐漸出現(xiàn)了陶瓷顆粒的團(tuán)聚并最終形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；與此同時(shí)，金屬相的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)漸漸消失，直至金屬相以夾雜相的形式分布于陶瓷基體中。

2. 隨著陶瓷含量的增加，材料的硬度增加，而延性降低，這可歸因于基體相的改變。隨著陶瓷含量的增加，基體相由金屬轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾桑沾苫w不僅可以為材料提供較硬的框架，而且會(huì)抑制金屬的塑性變形。

3. 彎曲強(qiáng)度和彈性模量的變化規(guī)律都呈“V”形。當(dāng)陶瓷體積分?jǐn)?shù)從 0%增至40%時(shí)，彎曲強(qiáng)度和彈性模量都隨之降低，而當(dāng)陶瓷體積分?jǐn)?shù)從 50%增至100%時(shí)，彎曲強(qiáng)度和彈性模量均逐漸增加。這種變化規(guī)律主要是由于陶瓷/金屬間存在較弱的界面。通過斷口照片可以觀察到由界面脫黏造成的陶瓷/金屬間的空洞、脫黏的金屬顆粒和其在陶瓷基體上留下的痕跡。

4. 隨著陶瓷含量的增加，斷裂韌性逐漸降低。其主要原因是基體相由韌性的金屬材料轉(zhuǎn)變成脆性的陶瓷材料。另一方面，陶瓷/金屬間弱界面的脫黏會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生一定的增韌效果。

5. 當(dāng)陶瓷含量較低時(shí)，陶瓷顆粒的團(tuán)聚體會(huì)使材料的延性、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性進(jìn)一步降低。而在 ZrO2/NiCr 功能梯度材料中， FF 試件和 NF 試件的相對(duì)密度都大于 94.9%，空隙率沒有對(duì)力學(xué)性能的變化產(chǎn)生較大的影響。

6. 通過修正 Mori-Tanaka 方法預(yù)報(bào)了 HF 試件中彈性模量的變化規(guī)律，其理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的很好。這說明修正 Mori-Tanaka 方法可以有效地對(duì)陶瓷/金屬體系功能梯度材料的彈性模量變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)報(bào)。

7. 通過該方法進(jìn)一步分析了弱界面性能和顆粒尺寸對(duì)材料彈性模量的影響。理論分析結(jié)果顯示，當(dāng)顆粒含量較少時(shí)，弱界面和顆粒尺寸不會(huì)對(duì)材料的彈性模量產(chǎn)生較大的影響。而當(dāng)顆粒含量較高時(shí)，提高界面性能和增加顆粒尺寸都會(huì)使彈性模量顯著地增加。

4.6 本章小結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)研究了材料梯度對(duì)功能梯度材料 I 型準(zhǔn)靜態(tài)斷裂行為的影響。本文制備出兩組 ZrO2/NiCr 體系功能梯度材料斷裂試件： (1) HF-A 試件，裂紋位于 70%ZrO2 層內(nèi)，沿著裂紋擴(kuò)展方向材料的彈性模量逐漸減小，而斷裂韌性逐漸增加； (2) HF-B 試件，裂尖位于 70%ZrO2 層內(nèi)，沿著裂紋擴(kuò)展方向材料的彈性模量逐漸增加，而斷裂韌性逐漸減小。 這里，裂紋的方向平行于材料的梯度方向。另外，用 70%ZrO2 均勻材料（NF-C）作對(duì)比試驗(yàn)。每組試件在三點(diǎn)彎曲載荷作用下進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中使用數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)裂紋啟裂前的位移場和應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了測(cè)量，通過有限元方法對(duì)功能梯度材料 I 型斷裂行為進(jìn)行了分析，并從能量釋放率角度討論了功能梯度材料中 I 型裂紋擴(kuò)展的穩(wěn)定性問題。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果，可以得出材料梯度對(duì)功能梯度材料的 I

型準(zhǔn)靜態(tài)斷裂行為的影響主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1. 在裂尖彈性模量相同的情況下（裂紋位于同一組分層中），沿裂紋擴(kuò)展方向遞減的彈性模量可以使裂尖區(qū)域產(chǎn)生較大的變形梯度，而沿裂紋擴(kuò)展方向遞增的彈性模量可以使裂尖區(qū)域產(chǎn)生較小的變形梯度。

2. 在功能梯度材料中，裂尖處材料的斷裂韌性是影響裂紋啟裂與裂紋擴(kuò)展的主要因素。

3. I 型裂紋在 HF-A 試件中的擴(kuò)展方式為，裂紋在經(jīng)過一段快速擴(kuò)展后發(fā)展成緩慢的穩(wěn)定擴(kuò)展，而在 HF-B 試件中的擴(kuò)展方式為失穩(wěn)擴(kuò)展。這是由于斷裂韌性沿裂紋擴(kuò)展方向的梯度變化不同造成的。

4. 有利于 I 型裂紋發(fā)生穩(wěn)定擴(kuò)展的功能梯度材料的材料性能變化方式是沿裂紋擴(kuò)展方向彈性模量遞減且斷裂韌性遞增，這種材料性能變化方式可以顯著地提高功能梯度材料的裂紋擴(kuò)展阻力。而當(dāng)功能梯度材料的材料性能變化方式為沿裂紋擴(kuò)展方向彈性模量遞增且斷裂韌性遞減時(shí)，這種材料性能變化方式會(huì)明顯地降低功能梯度材料的裂紋擴(kuò)展阻力。在這種情況下的 I型裂紋易發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。

5.6 本章小結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)研究了材料梯度對(duì)功能梯度材料混合型準(zhǔn)靜態(tài)斷裂行為的影響。制備出兩組 ZrO2/NiCr 體系功能梯度材料斷裂試件： (1) DHF-A 試件，裂紋位于 100%ZrO2 層內(nèi)，沿裂紋擴(kuò)展方向材料的彈性模量遞減且斷裂韌性遞增； (2)DHF-B 試件，裂尖位于 60%ZrO2 層內(nèi)，沿裂紋擴(kuò)展方向材料的彈性模量遞增且斷裂韌性遞減。其中裂紋的方向平行于材料的梯度方向。另外，用 NF-5 試件（DNF-C）做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。每組試件在非對(duì)稱三點(diǎn)彎曲載荷作用下進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)。為突出材料梯度對(duì)混合型斷裂行為的影響，實(shí)驗(yàn)排除了試件的幾何尺寸和載荷情況的影響，即每組試件的幾何尺寸和載荷情況均保持一致。在實(shí)驗(yàn)中使用數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)裂紋啟裂前的位移場和應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了測(cè)量，并通過擴(kuò)展有限元方法對(duì)功能梯度材料混合型裂紋的擴(kuò)展路徑進(jìn)行了模擬。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果，可以得出材料梯度對(duì)功能梯度材料的 I-II 混合型準(zhǔn)靜態(tài)斷裂的影響主要表現(xiàn)為：

1. 在載荷情況和試件幾何條件一致的情況下， DHF-A 試件的裂紋開裂角度小于 DHF-B 試件的裂紋開裂角度。

2. 在裂紋啟裂前， DHF-B 的 KI 和 KII 始終大于 DHF-A 的 KI 和 KII，這表明材料的彈性梯度對(duì) DHF-A 的 I-II 混合型靜態(tài)裂紋有保護(hù)作用。

3. 在裂紋啟裂前， DHF-B 的混合度始終大于 DHF-A 的混合度，這說明沿裂紋擴(kuò)展方向遞增的彈性模量會(huì)提高裂尖的混合度，而沿裂紋擴(kuò)展方向遞減的彈性模量會(huì)降低裂尖的混合度。

4. 沿裂紋擴(kuò)展方向遞增的斷裂韌性會(huì)使裂紋在梯度層中發(fā)生穩(wěn)定擴(kuò)展，而沿裂紋擴(kuò)展方向遞減的斷裂韌性會(huì)使裂紋在梯度層中發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。

5. 彈性模量的梯度變化和斷裂韌性的梯度變化是影響功能梯度材料的混合型裂紋啟裂和擴(kuò)展的重要因素。

6. 數(shù)字圖像相關(guān)方法的結(jié)果和擴(kuò)展有限元方法的結(jié)果證明最大周向應(yīng)力準(zhǔn)則可以有效地用于研究功能梯度材料混合型斷裂問題。

7. 微結(jié)構(gòu)的局部非均勻性會(huì)使裂紋在擴(kuò)展中發(fā)生擾動(dòng)，但這些擾動(dòng)不會(huì)影響裂紋的整體擴(kuò)展路徑。各組分層間界面對(duì)裂紋的擴(kuò)展路徑影響不大，這是因?yàn)楦鹘M分層間界面的結(jié)合強(qiáng)度較高。