功能梯度材料是一种具有倾斜功能的材料,它的正面特性和功能极不同于它背面的特性和功能,它的中间组分和结构根据高级材料设计方法控制在显微水平上,尤其适于工作环境。功能梯度材料的设想是5,6年前首次由国家航天实验室和东北大学的研究人员提出来的。它的历史不长,但它的重要窣义是举世公认的。能够像飞机那样垂直升降和往返太空和地球之间的“航天飞机”的研制工作,是21世纪太空开发的主要目标之一。实现这个目标有许多技术问题。最重要的是,高耐热性材料的开发是不可或缺的。航天飞机以特超音速长时间飞行在大气层里并加速。因此,如空气的摩擦使机体外部和发动机外部暴露在高温下,同时它们的内部又使液氢冷却。要对付这种情况,机体和发动机的材料须经受这样的苛刻条件:2000 K的表面温度代表绝对温度)、不足10毫米的厚度以及1000 K的温差,换句话说,需要这样一种材料:正面是耐热性需要的陶瓷组分,背面是满足冷却效率和机械强度需要的金属,中间是组分逐渐从陶瓷变成金属的一种材料。至于组成均匀的传统材料,其所有部位的功能是相同的,所以难以满足前、后表面的不同条件。为解决这个问题,采取了把陶瓷与金属结合在一起提高耐热性的措施。尽管如此,反复使用后,材料之间的特性差异也可能引起接合面分离。再说功能梯度材料,它本身是按组分能不断变化的方式设计的,从而使它不大可能因特性差异而发生破裂。

自1987财政年度以来,日本发表了一项题为《功能梯度材料开发基础技术研究》的研究计划,由科技发展资金资助。该计划的最终目标是建立制造功能梯度材料的基础技术,这种材料作为航天飞机的防护材料可用在最高温度2000 K、最大温差1000 K这样的环境条件下。该计划包括第一阶段(3年,1987—1989年)和第二阶段(2年,1990~1991年)。就第一阶段而言,已着手试验性地制造厚度1~10毫米、直径30 毫米的小型样品。至于第二阶段,厚度相同、300平方毫米的金属板正处在想象之中,研究机构由,材料设计、结构控制相性能评估三个部门构成。研究是在每个部门的合作下进行的。

材料设计部决定制造梯度功能材料必需的材料的组分和微结构分布,并为结构控制部提供结果。接到开发计划包括形状和工作条件后,人工智能根据知识库选择合成材料的多种组分。随后,当梯度组合率发生变化时,该部门推测单独组分的特性,从而发现预定温度下热应力的最佳条件。重复这种过程,便能最终决定最佳材料组分、最佳或条组分分布以及微结构分布。

结构控制部实际上是根据材料设计部提供的数据合成功能梯度材料。他们的合成技术包括许多方法,比如CVD,PVD,薄薄膜层压,真空等离子注射等。负责此项研究的许多大学和团体成功地试验性地制造出尺寸30毫米的盘状功能梯度材料,这是第一阶段的目标。比如作为CVD的结果,东北大学金属材料研究实验室建立了一种SiS功能梯度材料合成法,而且基于以上成果,Sumitomo电气工业株式会社成功地开发出一种把CPD和PVD结合在一起的合成方法。NKK公司建立了一种用薄薄膜层压制备无破扳平面ZBO2-Ni功能梯度材料的方法,薄膜层压法在大规模生产的加工性方面有优势,因而可望合成大型、等杂形状的功能梯度材料。日本钢铁公司研制出一种4孔式真空同步注射装置,在控制气氛下把粉末从4个方向馈入等离子体枪,从而成功地合成了组分更为接近的梯度薄膜。该方法可望用于大型结构。除了上面所述的,政府工业研究所研制出一种利用自动发热反应的合成技术,收到了良好的效果。在此领域,目前正在积极进行制造300平方毫米平板(第二阶段的目标)的研究。

性能评估部对合成的功能梯度材料进行性能评估。典型的评估方法有热冲击试验(采用激光局部加热法)和高温差基础评估法,国家航天实验室正在进行高温差基础评估试验。目前正在对由结构控制部制造的功能梯度材料进行初期评估试验。

功能梯度材料用途广泛,不仅能用在航天飞机领域,还能用在其他诸多领域。预计,它们的用途包括:发动机燃烧室壁、涡轮片、聚变反应堆、生物功能材料,比如人造牙齿以及折射率不同的光纤。1988年2月,成立了功能梯度材料研究所。功能梯度材料的未来趋势正引起众人的关注。

[Technology Japan,1991年,10月]