功能梯度材料应用及动力学分析
2014-2-6 来源：数控机床市场网 作者： 赵磊 胡超
摘 要 介绍了功能梯度材料的概念和材料的特点，以及目前一些应用功能梯度材料的领域。简单介绍了应力集中问题的历史与研究现状，浅析功能梯度材料中孔洞或缺陷由反平面剪切波引起动应力集中问题。
关键词 功能梯度材料 动应力集中 剪切波或热波
引言
功能材料的概念是由美国贝尔研究所 Morton J A 博士在1965年首先提出来，后经日本各研究所、大学以及材料学会的大力提倡，很快受到世界各国材料科学界的重视。半世纪以来，功能材料没有停止发展的脚步，很多新型功能材料的出现，对科学技术的研究和高技术产业的发展具有决定性意义。
功能梯度材料
(Functionally Gradient Materials，FGM)是现代航空航天等高技术领域为满足在极限环境(超高温、大环境落差)下航天器能反复地正常工作而发展起来的新型功能材料，它介于异质材料和复合材料之间，其内部组份、结构、性能等方面，均与异质材料和复合材料不同。
目前，有关功能梯度材料中的弹性力学分析大部分集中在静态和准静态的研究，而实际的功能梯度材料或结构绝大部分是在动态载荷下工作的。因此，研究功能梯度材料及其结构的动态响应问题在理论研究和实际应用中都具有深远的意义。
1 、 功能梯度材料的概念和特点
1． 1 功能梯度材料的概念
随着当代航空航天等高技术的发展，对材料性能的要求越来越高。传统材料不能满足越来越苛刻的使用环境，急需一种新的材料来代替。于是 1987 年日本学者新野正之、平井敏雄等人提出了金属和超耐热陶瓷梯度化结合的一种新想法，即功能梯度材料(FGM)的概念，并在 1987 年到 1991 年成功的开发了热应力缓和型 FGM。为发射日本 HPOE卫星的小火箭引擎和箭体提供热防护材料。由于研究的成功，日本科技厅于 1993 年又设立为期5 年的研究，旨在将 FGM 推广和实用化。
1． 2 功能梯度材料的特点
功能梯度材料是一种材料到另一种材料呈连续变化的新型功能材料。功能梯度材料使用的原料可以是液相、气相或固相。原则上来说，只要能有效地控制和改变各成分含量和比例的工艺都可以作功能梯度材料的合成方法。
功能梯度材料在制备过程中，一般都是通过物理方法或者化学方法来达到所需的梯度。目前主要方法有化学气相沉积法(CVD)、物理蒸镀法(PVD)、等离子喷涂法(PS)、自蔓延高温合成法(SHS)、粉末冶金法、化学气相渗透法(CVI)、激光倾斜烧结法、电解析出法、等离子放电烧结法等。选择几种不同性质的材料，用相应的方法连续的控制材料的微观要素(包括组成、结构和空隙在内的形态与结构方式等)，从而制造出使材料在不同区域体现出不同功能的新型材料。如图 1 所示。
陶瓷 － 金属功能梯度材料的两面在性能上有很大的差异，同时这种成分或结构的变化是逐渐过渡的，可有效缓解材料两侧温差所引起的巨大应力，因此，它能够耐热冲击，且具有良好的机械强度。
2 、 功能梯度材料的应用
功能梯度材料的应用领域是非常广泛的。由于它具有较高机械强度、抗热冲击、耐高温性能等特点，在航空航天工程、核工程、生物医学工程、电子工程、化学工程等诸多方面都有广泛的应用。表 1 列举了功能梯度材料在航空航天工程、核工程上的应用范围和材料的组合相。
航空航天热防护领域是最先应用功能梯度材料的领域。例如，当航天飞机往返大气层，飞行速度超过马赫数 25 时，机头的前端和机翼的前沿处表面温度高达 2 000 ℃，以前采用的是以陶瓷为主的组合式复合材料热防护系统，除了无法重复使用性外，对于整个系统的可靠性也存在很大的问题，如经常发现航天飞机在太空时出现热防护块脱落的现象。金属陶瓷功能梯度材料可以像金属一样开孔连接或直接焊接，从而解决了这些问题。火箭发动机燃烧室的温度更高，燃气温度超过2 000 ℃，燃烧室的流量大于5 MW/m2，空气入口的前端热通量达50 MW/m2，对如此大的热量，不仅仅需要隔热材料，还必须采取一定的冷却措施。这些措施中，大多将用作火箭发动机燃料的液态氢，作为强制冷却的冷却剂，这样可以使燃烧室外壁的温度下降1 000 ℃ 左右。在这种环境下，传统的金属材料难以承受燃烧室内壁 2 000 ℃ 以上高温。而用耐高温金属并在其表面涂敷一种耐高温陶瓷涂层或金属陶瓷复合材料，由于存在明显的相界面，其两侧材料的膨胀系数不同，其它物理、化学参数差别也很大，在高温的情况下会使相界面处产生较大的热应力，导致陶瓷材料出现剥落或龟裂现象而使材料破坏，甚至导致重大安全事故。而采用热应力缓和功能梯度材料，使界面的成分和组织呈连续变化，没有明显的相界面，因而材料内部的热应力大为缓和。
在军事上，功能梯度材料已经不仅仅限于隔热材料。例如，功能梯度材料已进入隐身材料行列。目前，各军事强国都逐渐增强战机、舰艇、导弹等武器系统的隐身能力，而相对单一结构的隐身材料来说，通常难以同时满足阻抗匹配和材料的声衰减性能好这两个条件。因此，鉴于功能梯度材料的特点，通常在设计消声覆盖层时都把它设计成带有阻抗渐变结构的梯度结构吸波材料。这种多层功能梯度结构材料将真正隐身成为一种可行的途径。像美国、俄罗斯这样的军事强国，一直以来都十分重视消声覆盖层的研究，开发具有声隐身与电磁波隐身性能的梯度结构吸波材料。
由美国 20 世纪 90 年代提出的梯度装甲概念，以取代机械强度、防护性能、耐热性、耐循环性以及耐久性等方面存在不足的陶瓷、金属等装甲防护材料。陶瓷的韧性差，金属的硬度低等缺点是研究功能梯度防护材料可以有效解决的问题，同时，还可以减轻防护装甲的质量。这种材料也可以用在防弹汽车和运钞车等专用车辆上，提高汽车的性能。
3 、功能梯度材料的应力集中分析
功能梯度材料的诸多优点，使其有着非常广泛的应用前景。这样就有必须要对材料的性能进行充分的了解，特别是材料的力学性能。静力学和动力学特性是材料使用的基本特性，可以通过静力或动力试验的方法得到需要的试验数据，近几年国内外有许多学者从事功能梯度材料结构的有限元仿真分析，取得了一定的成果，还需进一步完善材料的单元模型。
但是在材料使用过程中，就少不了开孔或开槽等机械加工，例如用于螺栓连接所开的通孔等各种材料不连续的地方; 同样，功能梯度材料在生产过程中的材料也会产生无法避免的缺陷，例如材料中的夹杂、空穴等情况，这些都会在孔洞附近产生应力集中现象。应力集中是指由于集合体不连续，例如孔洞、空穴、缺口、沟槽、转角、截面突然改变等原因，在结构上引起的局部应力的增加。
应力集中问题的研究，大量研究开始于第二次世界大战中，由于战争中需要快速且大量的生产战车、飞机和舰艇，所以铆钉连接取代了以前的焊接，成为当时的主流形式。比如有的舰船下水后两年的时间内，舰艇的船体部分就出现了许多可以严重到足以对船身构成威胁的裂缝，原因之一就是铆钉处产生的动应力集中。 1954 年两架彗星喷气式飞机的灾难性空难更加引起人们的关注。在一次广泛的调查研究后，对一架还在服役的同型号飞机进行整机试验。试验时将机身全部侵入水箱，然后手动施加往复性静水压力，用于模拟机舱在高空时的密封加压状态。经过若干钟头的循环加压以后发现，从近似方形的窗口尖角处开始出现裂纹，一个很弱的应力集中因素也会引起疲劳破坏。
因此，在航空航天领域中，功能梯度材料在满足静载荷的情况下，还要进一步研究动载荷下，材料的强度问题。如飞行器在空中飞行时产生的振动等，都会使功能梯度材料中连接用的孔洞或缺陷周围产生动应力集中，降低其力学性能。
1955 年，Nishimura G 和Jimbo Y 的一篇文章 : “一个应力集中的动力学问题—在动作用下，夹塞在弹性固体中的球形物质周围的应力” 中证实，动应力集中因子(DSCF)比静应力集中因子大。动应力集中因子定义: 全波在某一点上产生的动应力与入射波(未受障碍) 在同一点上产生的动应力比值。
20 世纪 60 年代以后，国内外动应力集中理论的研究得到了快速的发展。有学者发表的弹性波的散射与动应力集中相关论文中，采用复变函数与波函数展开法分析了孔洞周围的动应力集中问题，是对该问题研究的一种新方法。得到的相关结果，使我们对动应力集中有了更好的理论依据。
其建立模型的假设为: 功能梯度材料的机械强度或物理参数在某一方向是连续指数梯度变化的，比如导热系数、材料密度等，而在其它两个方向上是不变的。同时引入一种反平面剪切弹性波或热波作为入射波，来计算动应力集中因子的大小，如图2 和图 3(反平面剪切弹性波情况下)所示为圆孔周围应力集中因子的极坐标图。
其中β为不均匀材料系数，当β= 0 时，可以视为均匀材料，β ≠0 时，表示为功能梯度材料。ka 为入射波波数(无量纲)。可以看出，功能梯度材料中的动应力要比均质材料的动应力大，而且引起了最大动应力在圆周方向偏移一定的角度。
以上主要介绍了功能梯度材料和均质材料中圆孔周围应力集中问题。但是在实际的问题中，材料中的许多缺陷是非圆形的，所以还需要进一步研究任意形孔洞周围的动应力集中问题。另外，材料的结构多是板、梁等有限结构模型，即有边界条件的情况下的动应力集中问题。这些条件会使入射波在结构中产生多重散射，求得解析解的难度也更加困难，但也更贴近实际使用环境，有更重要的实际意义。
4 、结束语
功能梯度材料是一种新型材料，由于它优越的性能，在航空航天等诸多领域有着非常广泛的应用前景。通过力学分析，可以看到功能梯度材料孔洞周围产生的动应力集中要比一般均质材料大一些。所以，在引用功能梯度材料时，也要更多地考虑其力学性能，改进设计方法。
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