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黃培云，1917年8月23日生于北京市，祖籍福建省閩侯縣（今福州市）。其父在海關工作，經常易地任職，全家隨行。因此，黃培云小學讀于北京，初中讀于煙臺，高中讀于蘇州。但這并沒有影響他的學業，反而使他開闊了眼界，增長了不少見識。
由于勤奮好學，1934年，他以優異的成績考入了清華大學化學系。1935年，為了挽救民族危亡，他毅然參加“一二?九”運動。1937年，日本侵略軍進占北平，清華大學遷至長沙，與北京大學、南開大學組成西南臨時大學，不久又西遷昆明成立西南聯合大學。1938年2月，黃培云參加由聞一多等教授率領的步行團，并擔任學生小組長，風雨兼程，歷時兩個多月，從長沙步行到昆明。這次步行對黃培云一生影響極大。在憶及這段往事時，他說：“它不但鍛煉了我的身心，更重要的是深入窮鄉僻壤，了解到不少民間實際情況與疾苦，使我進一步向進步與革命靠攏?！蓖?月，黃培云大學畢業，在清華大學金屬學研究所任助教。
1940年，黃培云考取清華大學第五屆公費留美生，在麻省理工學院研究生院攻讀博士學位。1945年獲科學博士學位后，他繼續在該院從事博士后科學研究工作。
為了中華民族的振興，黃培云毅然偕同已入美國籍的夫人于1946年底回到了祖國，以圖科學救國。1947年春，他受聘到武漢大學礦冶系任教授和系主任。
建校不是做好桌子板凳就行
1952年，國家對高等學校進行教學改革與院系調整，決定將武漢大學、湖南大學、廣西大學、南昌大學的礦冶系，中山大學的地質系，以及北京工業學院的選礦系進行調整合并，成立獨立的中南礦冶學院。該學院定位為以培養有色金屬工業需要的人才為主，時任武漢大學礦冶系主任的黃培云參與了籌建工作。
校址最后選定在湖南長沙?！敖ㄐr最困難的是沒有人，我們就在長沙即將畢業的學生中找幾個能干的?！秉S培云生前回憶道。他們先對學校的桌椅板凳、實驗臺需要多少木頭進行估算，再去買木頭，并且總能買到最好的木頭。之后，他們又買了馬達和鋸片，自己裝了鋸木頭的機器。很快木工廠建起來了。“說是木工廠，實際上除了那臺鋸以外，什么都沒有。但學生們就是用它制作了一大批小板凳。”黃培云生前回憶起建校情景時娓娓地說道。
然而，建校不是把桌子板凳做好就行了。幾所學校的師生加起來有好幾百人，加上當時交通不便，從四面八方趕到長沙來這個過程就不簡單。修整校舍時實在買不到瓦，他們就自己動手做瓦；建房子需要大量的磚，他們就自己建窯壓胚燒磚，還因為用水的問題，他們辦了一個小型自來水廠，甚至為了開出一條運輸路，他們用鋤頭一點點地把羊腸小道鏟平、開通。
面臨6所學校所用教材差別很大的問題時，他們把6個學校的教材擺在一塊兒，強中選優，最后確定以武大、湖大、北京工業學院的教材為主。
他們秉著革命的精神為建校出謀獻力，終于學校在1952年11月如期開學，黃培云被任命為副院長。
黃培云倡導的“三嚴”作風――嚴肅對待教學工作、嚴密組織教學過程、嚴格要求學生在建校后起了很大作用?！拔覀円环矫娌粩喔纳平虒W物質條件，一方面大力培養師資。學院成立時只有兩萬多平方米，實驗室、教室、宿舍等都非常缺乏?！秉S培云生前接受記者采訪時說，用了大概3年時間，教學樓、實驗樓相繼建立，實驗室設備不斷補充，教學質量也有了提高。
從1954年開始，學院在蘇聯專家的指導下，改組了院務會議，調整教研組，修訂教學計劃及教學大綱，對教學法展開研究。1956年，中南礦冶學院培養出第一批畢業生，較強的專業能力和綜合素質使這些畢業生受到用人單位的歡迎。
填補我國粉末冶金學科空白
不僅是奠基粉末冶金學科、培養學科人才，黃培云更是見證了它的發展。
粉末冶金是一門制取金屬、非金屬和化合物粉末及其材料的高新科學技術，它能滿足航空、航天、核能、兵器、電子、電氣等高新技術領域各種特殊環境中使用的特殊材料的要求。一些發達國家早在20世紀初就開始了該領域的研究，而中國在1950年代還是一片空白。
當冶金部把設立粉末冶金專業的任務下達給中南礦冶學院時，誰都不知道粉末冶金是怎么一回事。黃培云說他在麻省理工學院學過一門30學時的粉末冶金選修課，有點概念，但當時并不太重視這門課程。從那以后，黃培云在學術和專業方面由一般有色金屬冶金研究轉向集中研究粉末冶金與粉末材料。
1材料成型與控制工程概念闡釋
材料成型與控制工程是一個實用性學科，該學科剖析各種類型材料的宏觀結構、微觀結構、表面形態轉換，深入研究材料熱加工方法和塑性成形方法。材料成型與控制技術一般應用在機械制造行業、建筑行業以及設備加工行業，技術水平直接決定了這些行業產品制造質量、產品制造效率，關系到制造行業的利潤，對于我國工業發展起到關鍵性基礎作用。一般來說，產品設計必須應用材料成型與控制工程理論內涵以及具體的加工工藝，確定材料的性質、特點以及加工成品的功能，合理規劃設計材料加工。金屬材料是目前工業生產中較為常見的材料，材料成型與控制工程以分析金屬材料性質、特點為主，充分考慮到材料成型與控制工程理論內容以及金屬材料加工方法，探究材料成型與制造的關鍵技術，并利用領先的加工技術，實現制造技術的革新，確立我國工業制造的領先優勢。加工金屬材料時，需要應用到多種工藝技術，例如沖壓、擠壓、鍛造、鑄造以及焊接等工藝，這些工藝對技術水平提出了較高要求，每個技術環節出現差錯都極易導致成型產品出現瑕疵，成型產品質量難以達標，其使用性能不能達到相關要求。因此，使用、加工金屬材料之前，應仔細分析材料的物理性質、化學構成，并對材料進行測試，使其達到加工成型相關要求，結合此種材料的工作環境特點準備復合材料。
2材料成型與控制工程中加工金屬材料的具體方式
2.1機械加工成型方法概述。機械加工成型作為金屬材料加工過程中使用最為頻繁的一種方式，這種方法的優勢在于加工簡便，設備資源較為豐富，加工金屬材料的范圍涉及到多個種類，加工精度高，能夠加工幾乎所有的金屬材料。機械加工設備由普通機床逐步升級到數控機床，早期車、銑、刨、磨加工工序是單一的、獨立的，現如今已經形成具備綜合加工能力的加工中心，提高了加工效率和加工精準性。機械加工金屬材料需要結合產品的材料性質、形狀特點，分析選擇對應的加工工藝，確定工藝路線，選擇鉆、車、銑等加工方法以及相應的加工刀具。通常在對硬度較低的金屬材料進行機械加工時，鉆、銑等加工方式需要應用高速某材料刀具，車削加工應用硬質合金類刀具，此類刀具表面適合涂層使用；在機械加工高硬度金屬材料時，適合選擇金剛石、立方氮化硼、陶瓷等材料制作的刀具，加工時使用切削液，能夠降低加工金屬材料表面和刀具的摩擦力，并將加工時產生的熱量帶走，確保材料加工質量達標。在機械加工特殊金屬材料時，適合選擇線切割、雕刻、電火花等加工方式，對于表面質量有較高要求的，應采取磨削加工方式，并根據具體情況實施拋光處理。2.2粉末冶金成型方法概述。粉末冶金技術是一種傳統的材料成型與控制工程加工成型技術，該種技術在促進我國工業發展起到了積極的作用。粉末冶金成型技術最初應用在復合材料零件的制作過程中，利用壓力成型的工藝完成加工、成型，適合應用在尺寸小、形狀單一的零件制造中。該技術具有較強的適應性，能夠應用于多種材料，工藝流程并不復雜，使用時突出增強相分布均勻、組織細密、界面反應少的特點。伴隨科技的進步、加工制造技術的突破，該種技術也得到了發展和改進，現如今該技術主要應用于汽車、軍事領域產品制造中，例如預制破片、剎車片等。應用粉末冶金成型技術生產、制造的金屬產品具有較強耐磨性、較大強度，應用在特種工程領域中能夠體現出較高的應用價值，例如含油材料制品。粉末冶金成型技術根據成型方式劃分成三類：傳統壓制成型方式，注射成型方式，3D打印成型方式。粉末冶金成型技術在應用過程中必須將成型方法與金屬材料的物質性質、化學性質、產品特點、產品要求相一致，以此來提高產品質量、產品精度、生產效率。2.3粉末冶金成型技術分析概述。粉末冶金工藝流程包括配料環節、混料環節、成型環節、脫脂環節、燒結環節、后處理環節。汽車以及機械設備使用的齒輪具體以壓制成型的加工工藝為主，這種工藝具有較高的生產效率，且材料成本低廉，產量大，適合規模生產。輕武器零件類似扳機等，具有較高的機械性能要求和尺寸精度要求，同時該產品形狀復雜；醫療器械例如止血鉗等產品要求較高的機械性能和表面質量標準；電子零件例如手機按鍵，具有較高的尺寸精度要求和質量要求，這些產品都應選擇注射成型工藝加工，待燒結后制品無成分偏析，精度準確、機械性能好、組織致密、表面質量好，密度為7.6g/cm3~7.8g/cm3，后期能夠采用整形、熱處理、表面處理、機械加工工藝進行加工?，F如今，應用粉末冶金成型技術能夠體現出性能良好、效率高、生產成本低的優勢。2.4沖壓、擠壓、塑性成型方法概述。沖壓、擠壓、塑性成型方法的應用范圍最廣。技術人員僅需要結合基礎材料成型特點，利用模具表面涂層以及技術，優化加工過程中的應力狀態，從而減少材料加工成型中的摩擦阻力，釋放材料壓力，提高產品質量。沖壓、擠壓、塑性成型過程在加工復合材料時，應結合增強材料比例、材料尺寸、材料強度、材料種類、材料質量選取適當的沖壓、擠壓、模鍛及其他塑形方式，進而制造高質量金屬材料制品。塑性成型過程中如果被加工金屬強度低，應提高加工速度。上述內容重點闡釋了應用沖壓、擠壓、塑性成型方法時應重視模具的設計、制造、方法、條件。2.5鑄造成型方法概述。鑄造成型加工方法包括熔模法、壓力法、反重力法、消失模法，離心法等，通常應用在低精度要求大批量產品成型，這些產品都需要后續機械加工操作。
關鍵詞：機械合金化技術 材料科學與工程 教學實踐
對于材料科學與工程專業的本科生來說，到了大三和大四就要學習許多專業課程和專業選修課程。其中有些課程屬于材料合成與制備方法方面的內容。在材料合成與制備方法的課程教學中就需要涉及到材料的某些制備工藝，例如某些金屬合金的制備工藝方法。對于金屬合金的制備方法，很多教科書都詳細地講述鑄造技術、焊接技術、粉末冶金技術、金屬熔煉技術等，但也會涉及到機械合金化技術。機械合金化技術是近年來發展起來的一種制備高性能合金的新技術。這種技術主要是利用機械球磨工藝把不同種金屬粉末通過機械球磨方式通過一定時間的球磨，最終使這些金屬元素粉末通過機械球磨工藝形成金屬合金，所以最終能夠得到需要的新型金屬合金材料。由于機械合金化工藝可以在常溫下進行，不像金屬熔煉技術那樣需要較高的溫度才能熔化金屬，因此機械合金化技術更為實用，成本較低，而且材料的制備工藝簡單。所以機械合金化技術近些年來發展較快，機械合金化技術所能夠制備的金屬合金材料的范圍和種類也在不斷地擴大，所制備的材料的性能也逐漸得到提高。由于機械合金化技術制備金屬合金粉末的制備工藝簡單，成本較低，使用的金屬元素種類較多，而且可以用于實驗室進行教學實驗，所以機械合金化技術也逐漸應用到了材料科學與工程專業的課程教學與實踐教學中。采用機械合金化技術制備金屬合金粉末可以作為本科生實驗課程的教學實驗，也可以作為本科生的課程設計和畢業設計的教學內容。所以機械合金化技術將在材料科學與工程專業的教學實驗中具有非常廣泛的用途。
一、機械合金化技術的原理和應用
在機械合金化過程中，粉末受到磨球強烈的碰撞和擠壓。極平的、純凈的金屬表面在常溫下加壓可焊接在一起，這就是冷焊，也稱為壓力焊。塑性較好的金屬粉末，在磨球的碾壓、沖擊下發生形變并以十分純凈的表面彼此接近到原子作用力的距離，同樣可以冷焊在一起，形成相互交疊的層片組織，而脆性粉末或塑性粉末加工硬化變脆后，在沖擊下直接破碎，所以球磨過程因體系不同而不同。在延性的金屬-金屬混合粉末中，粉末的變化分為三個階段：顆粒粗化-破碎-粉末粒度的穩態分布，相應的稱為初期、中期和后期。在機械合金化過程的初期，主要是冷焊過程，塑性粉末含量越多，粗化越明顯，顆粒直徑可到數毫米，同時顆粒表面也相當平滑；在機械合金化中期，冷焊和破碎交替進行，層片狀較大顆粒與細小顆粒共存，細小顆粒是從大顆粒上脫落下來的，這一階段各層內積蓄了能使原子充分擴散所需的空位、位錯等缺陷，不同組元的擴散距離也接近原子級水平，合金化過程開始。在機械合金化過程的后期，基本上只有粉末顆粒破碎的過程，顆粒粒度趨向于最小值，因此也比較均勻。延性的金屬與脆性的非金屬或化合物組成的體系，脆性組元首先發生破碎，延性組元則首先發生變形，細小的脆性粒子處于延性顆粒之間。隨后延性組元逐漸加工硬化，發生斷裂和脆性組元一樣尺寸不斷減小。
機械合金化（MA）方法（塑性-塑性混合粉末）原理是：將金屬粉末在磨球的碾壓和沖擊下發生形變，并以十分純凈的表面彼此之間接近到原子作用力的距離，實現冷焊，最終形成相互交疊的層片狀組織。這個過程一般要經歷顆粒粗化、破碎、粉末粒度的穩態分布三個階段，其中初期以冷焊過程為主，粉末明顯粗化，中間過程冷焊與破碎交替進行，層片大顆粒與細小顆粒共存，各層內積蓄了能使原子充分擴散所需要的空位和位錯等的缺陷，使不同組元的擴散距離接近于原子級水平，合金化過程開始；在后期只有破碎過程，顆粒趨向于最小。機械合金化工藝可獲得納米顆粒，能使固溶、沉淀、彌散三種強化結合于一體，從而制備出性能優異的高溫合金。
二、機械合金化技術在材料科學專業的課程教學與實踐教學中的應用
在材料科學與工程專業的一些專業課程，例如材料合成與制備方法、納米材料、功能材料等課程都講述了機械合金化技術。例如在材料合成與制備方法這門課程中，有講述金屬合金材料的制備方法，除了傳統的鑄造工藝、焊接工藝、粉末冶金工藝以及金屬熔煉技術之外，重點講述機械合金化技術，因為機械合金化技術可以制備很多種金屬合金材料，而且制備工藝簡單，可以在常溫下進行。由于機械合金化技術可以在實驗室中進行，所以可以很方便開設實驗課程。在納米材料這門課程中講述了納米粉末的制備工藝，其中主要講述了機械合金化工藝。因為機械合金化工藝制備納米粉末的種類最多，涉及到很多種金屬材料以及金屬基復合材料的制備與合成等。還可以利用機械合金化技術制備復合材料，例如用機械合金化工藝球磨不同種元素粉末，使不同種金屬元素通過機械球磨工藝形成金屬合金粉末，所以通過機械球磨工藝原位合成金屬基復合材料。在功能材料這門課程中，講述利用機械合金化工藝制備納米粉末顆粒和功能材料，例如制備貯氫合金Mg-Ni合金等?；蛘呃脵C械合金化技術制備鐵磁合金材料、非晶態材料、納米功能材料等各種先進功能材料。
利用機械合金化技術可以制備具有納米尺寸量級的金屬合金粉末。采用機械合金化技術制備的金屬合金有很多種，例如采用機械合金化技術可以制備Fe-Al金屬間化合物粉末、Ni-Al金屬間化合物粉末，Ti-Al金屬間化合物粉末，以及Ni-Fe合金、Fe-Si合金、Cu-Al合金等多種金屬合金材料。以上講述的都是利用機械合金化工藝制備二元合金材料。也可以利用機械合金化技術制備三元合金、四元合金以及多種成分的金屬合金材料。例如利用機械合金化工藝制備Fe-Ni-Cr合金、Fe-Al-Ni合金，以及利用機械合金化技術制備具有多種成分的非晶態合金等。還可以利用機械合金技術制備貯氫材料，例如采用機械合金化工藝制備Mg-Ni合金等。采用機械合金化工藝制備的金屬合金材料有很多種，有些金屬合金材料的機械合金化制備工藝可以作為材料專業的教學實驗，可以為學生演示如何利用機械合金化工藝制備高性能金屬合金材料。例如采用機械合金化工藝制備Fe-Al金屬間化合物粉末材料。采用機械合金化工藝可將固溶、沉淀和彌散三種強化方式結合與一體，制備一系列具有優異性能的高溫合金。對Fc-Al合金的機械球磨或Fe-Al元素混合粉末的機械合金化已開展了一定的研究。Fe，Al純元素混合粉末在球磨過程中，粉末受到強烈的碰撞、擠壓，冷焊和破碎的相互作用使粉末細化，并在一定階段形成金屬合金。經過機械合金化工藝后就得到了粉末粒度極細的Fe-Al金屬間化合物粉末。同時還可以采用機械合金化技術制備Ni-Al合金粉末、Ti-Al合金粉末等。
通過機械合金化工藝可以制備多種新型的金屬合金粉末，而且成本較低，實驗過程簡單，可以作為本科生的實驗教學課程內容。例如可以開設納米材料的制備工藝的實驗課程，使本科學生通過機械合金化工藝制備多種具有納米結構的金屬合金粉末，并對所制備的金屬合金粉末進行性能表征，使學生通過實驗課程認識和了解納米材料的整個制備工藝以及表征方法。還有使學生通過機械合金化工藝制備先進的金屬功能材料，如貯氫材料、納米材料、鐵磁性材料等，通過制備工藝結合性能表征使得學生對新型功能材料有了一定的認識和了解。
通過實驗教學使學生認識和了解到機械合金化技術在材料科學與工程中的研究發展與應用，使學生加深課程教學知識內容的認識和掌握，使學生在課程學習的過程中既增加課本知識又鍛煉了實踐能力。所以在材料專業的實驗教學中應該增加一些材料制備技術的教學實驗，例如使學生利用機械合金化工藝球磨得到新型金屬合金粉末材料，并研究機械合金化工藝球磨過程對金屬合金粉末的物相組成和顯微結構的變化，使學生通過實驗課程對材料的制備和檢測方法有了較深的認識，從而為材料科學與工程專業課程的學習打下了堅實的基礎。
三、機械合金化技術在材料科學中的發展趨勢與應用
機械合金化技術由于制備工藝簡單，成本較低，材料合成溫度較低，所以被廣泛地應用到材料的合成與制備中。利用機械合金化技術可以開發新型的金屬合金材料以及復合材料等。采用機械合金化技術可以開發出很多種類型的金屬合金粉末，也可以開發金屬基復合材料等，而且現在有越來越多的研究者從事機械合金化工藝制備金屬合金材料和金屬基復合材料以及功能材料的研究和開發，所研究和開發的材料種類也逐漸增多，應用范圍也越來越廣泛。機械合金化技術在材料科學與工程教學與實踐中也得到廣泛的推廣和應用，已經成為材料科學與工程專業實踐教學課程必須進行的實驗內容。所以本文作者認為應該在材料科學專業的教學實踐中增加機械合金化技術的實驗課程，使得學生通過課程學習和實踐學習來加深材料科學與工程專業課程知識和內容的認識和掌握。
綜上所述，本文首先介紹機械合金化技術的概念和技術原理，講述機械合金化技術在材料科學與工程中的應用，并結合材料科學與工程專業課程教學研究和探討了機械合金化技術在材料科學與工程專業的教學實踐中的研究和應用。采用機械合金化技術可以制備多種材料，這為材料科學與工程專業實驗課程的教學實踐提供了豐富的教學內容，可以在材料科學與工程專業的實驗課程中開設一些關于機械合金化工藝制備新型金屬合金材料的實驗課程。
參考文獻
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[2]劉宏達，馬忠麗.高校實驗課程教學質量評價體系的構建[J].中國現代教育裝備，2009（3）：60-63
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Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.
Key words :FGM；composite；the Advance
0 引言
信息、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱?，F代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料，特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力，直接體現國家的科學技術水平和經濟實力，也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此，新材料的開發與研究是材料科學發展的先導，是21世紀高科技領域的基石。
近年來，材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因，一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。
1 FGM概念的提出
當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2， 其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差，傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料，如金屬基陶瓷涂層材料，由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大，很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面，消除物理性能的突變，使熱應力降至最小[3]。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2 FGM的特性和分類
2.1 FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2，因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料，可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層，既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。
2.2 FGM的分類
根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3 FGM的應用
FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM 研究的不斷深入，人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化，可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM，并可望應用于許多領域。
功 能
應 用 領 域 材 料 組 合
緩和熱應
力功能及
結合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材 陶瓷 金屬
陶瓷 金屬
塑料 金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石 金屬
碳纖維 金屬 塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料 輕元素 高強度材料
耐熱材料 遮避材料
耐熱材料 遮避材料
生物相溶性
及醫學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節
人工內臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學 磷灰石 氧化鋁
磷灰石 金屬
磷灰石 塑料
異種塑料
硅芯片 塑料
電磁功能
電磁功能 陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板 壓電陶瓷 塑料
壓電陶瓷 塑料
硅 化合物半導體
多層磁性薄膜
金屬 鐵磁體
金屬 鐵磁體
金屬 陶瓷
金屬 超導陶瓷
塑料 導電性材料
陶瓷 陶瓷
光學功能 防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發光元件
玻璃激光 透明材料 玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導體
稀土類元素 玻璃
能源轉化功能
MHD 發電
電極;池內壁
熱電變換發電
燃料電池
地熱發電
太陽電池 陶瓷 高熔點金屬
金屬 陶瓷
金屬 硅化物
陶瓷 固體電解質
金屬 陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4 FGM的研究
FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。
4. 1 FGM設計
FGM設計是一個逆向設計過程[7]。
首先確定材料的最終結構和應用條件，然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構，以及制備和評價方法，最后基于上述結構和材料組合選擇，根據假定的組成成份分布函數，計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數，就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布，此時的組成分布函數即最佳設計參數。
FGM設計主要構成要素有三:
1)確定結構形狀，熱—力學邊界條件和成分分布函數;
2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;
3)采用適當的數學—力學計算方法，包括有限元方法計算FGM的應力分布，采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。
FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合，借助于計算機輔助設計系統，得出最優的設計方案。
4. 2 FGM的制備
FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段，實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布，從而實現FGM的設計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高溫合成法(SHS) ;涂層法:如等離子噴涂法，激光熔覆法，電沉積法，氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD) 和化學相沉積(CVD) ;形變與馬氏體相變[10、14]。
4. 2. 1 粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形，然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性，可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高，適用于制造形狀比較簡單的FGM部件，但工藝比較復雜，制備的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點，但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。
4. 2. 2 自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 簡稱SHS或Combustion Synthesis)
SHS 法是前蘇聯科學家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃燒反應時，發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應，此后化學反應在自身放熱的支持下，自動持續地蔓延下去， 利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：
SHS 法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系，金屬與陶瓷的發熱量差異大，燒結程度不同，較難控制，因而影響材料的致密度，孔隙率較大，機械強度較低。目前利用SHS 法己制備出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4. 2. 3 噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝，適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常，將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內，并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層?？梢酝ㄟ^計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上，其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4. 2. 3. 1 等離子噴涂法(PS)
PS 法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物，形成等離子體，其溫度高達1 500 K，同時處于高度壓縮狀態，所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流，速度可高達1. 5 km/ s。原料粉末送至等離子射流中，粉末顆粒被加熱熔化，有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應，隨后被霧化成細小的熔滴，噴射在基底上，快速冷卻固結，形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例，調節等離子射流的溫度及流速，即可調整成分與組織，獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成，沉積效率高，無需燒結，不受基體面積大小的限制，比較容易得到大面積的塊材[10]，但梯度涂層與基體間的結合強度不高，并存在涂層組織不均勻，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出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
激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末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，便會產生用B合金化的A薄涂層，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比，在上述覆層熔覆的同時注入，在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程，就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度，以及熔區的深度來獲得，熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能，但由于激光溫度過高，涂層表面有時會出現裂紋或孔洞，并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。
4.2.3.3 熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化，并噴涂到基底上凝固，因此，建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中，這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固態，混入金屬液滴而被涂覆在基底，形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中，通過連續地改變增強顆粒的饋送速率，熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4 電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理，將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中，通過注入另一相的懸浮液使之混合，并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度，在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃，涂層的主要材料為TiO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層，以改變固體材料的表面特性，提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能，該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低，精度易控制，生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5 氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度，在厚度方向上實現組分的梯度化，適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制備出大厚度的梯度膜，與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD) 和化學氣相沉積(CVD) 兩類。
化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合，在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度，精確地控制材料的組成、結構和形態，并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化，可得到按設計要求的FGM。另外，該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM，因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質，使其蒸發為氣相，然后沉積于基材上，形成約100μm 厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD 法的特點是沉積溫度低，對基體熱影響小，但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]
4. 2. 4 形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應變變化，馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此，在合適的溫度范圍內，可以通過施加應變(或等價應力) 梯度，在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18 -8 不銹鋼(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍，但能提供一個簡單的方法，可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料，這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。
4. 3 FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計，為成分設計數據庫提供實驗數據，目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前，對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前，日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。
5 FGM的研究發展方向
5.1 存在的問題
作為一種新型功能材料，梯度功能材料范圍廣泛，性能特殊，用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決，主要表現在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；
3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；
4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單，還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2 FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；
2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；
3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3 對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨 時間變化關系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等
6 結束語
FGM 的出現標志著現代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發階段[8]。FGM的研究和開發應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉，多產業結合，國際化合作的方向發展。
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TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱?，F代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料,特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力,直接體現國家的科學技術水平和經濟實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此,新材料的開發與研究是材料科學發展的先導,是21世紀高科技領域的基石。
近年來,材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因,一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。
1FGM概念的提出
當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差,傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大,很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應力降至最小[3],如圖1所示。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。
圖2
2.2FGM的分類
根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應用
FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應用于許多領域。FGM的應用[8]見圖3。
圖3FGM的應用
功能
應用領域材料組合
緩和熱應
力功能及
結合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料輕元素高強度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節
人工內臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導陶瓷
塑料導電性材料
陶瓷陶瓷
光學功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導體
稀土類元素玻璃
能源轉化功能
MHD發電
電極;池內壁
熱電變換發電
燃料電池
地熱發電
太陽電池陶瓷高熔點金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。FGM的研究開發體系如圖4所示[8]。
設計設計
圖4FGM研究開發體系
4.1FGM設計
FGM設計是一個逆向設計過程[7]。
首先確定材料的最終結構和應用條件,然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構,以及制備和評價方法,最后基于上述結構和材料組合選擇,根據假定的組成成份分布函數,計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數,就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布,此時的組成分布函數即最佳設計參數。
FGM設計主要構成要素有三:
1)確定結構形狀,熱—力學邊界條件和成分分布函數;
2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;
3)采用適當的數學—力學計算方法,包括有限元方法計算FGM的應力分布,采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。
FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合,借助于計算機輔助設計系統,得出最優的設計方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段,實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布,從而實現FGM的設計性能?？煞譃榉勰┲旅芊?如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形,然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性,可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點,但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯科學家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應時,發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應,此后化學反應在自身放熱的支持下,自動持續地蔓延下去,利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：
圖6SHS反應過程示意圖
SHS法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系,金屬與陶瓷的發熱量差異大,燒結程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機械強度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內,并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層?？梢酝ㄟ^計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達1500K,同時處于高度壓縮狀態,所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應,隨后被霧化成細小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結,形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調節等離子射流的溫度及流速,即可調整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結,不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結合強度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出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
圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末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,便會產生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度,以及熔區的深度來獲得,熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態,混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料?？梢允褂脽岬褥o壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩類。
化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合,在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度,精確地控制材料的組成、結構和形態,并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化,可得到按設計要求的FGM。另外,該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質,使其蒸發為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內,可以通過施加應變(或等價應力)梯度,在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。
4.3FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計,為成分設計數據庫提供實驗數據,目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。
5FGM的研究發展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決,主要表現在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；
3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；
4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單,還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；
2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；
3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等
6結束語
FGM的出現標志著現代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發階段[8]。FGM的研究和開發應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉,多產業結合,國際化合作的方向發展。
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中圖分類號：S220.6
1.綠色制造概述
1.1概念
綠色制造.又被稱為環境意識制造或面向環境的制造，是一個系統地考慮環境影響和資源效率的現代制造模式。綠色制造的目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸.使用到報廢處理的整個產品生命周期中，對環境的負面影響最小.資源效率最高.并使企業經濟效益和社會效益協調優化。這里的環境包含了自然生態環境.社會系統和人類健康等因素。
1.2綠色制造的結構體系
綠色制造的核心內容是產品制造過程中，使用綠色材料和清潔能源，通過綠色設計.生產綠色產品.最終建立具有可持續性的產品生產和消費模式。綠色制造主要由三大部分組成：綠色設計.清潔生產和綠色再制造。
2.綠色機械制造工藝的類型
2.1節約資源的工藝技術
原材料（尤其是一些不可再生的金屬材料）的大量消耗.將不利于全社會的可持續發展.因此.機械工業應積極推廣資源消耗少的綠色工藝技術，通?？刹扇∫韵戮G色工藝技術。
2.1.1綠色材料
綠色設計與制造所選擇的材料既要有良好的使用性能.又要與環境有較好的協調性。為此，可改善機電產品的功能.簡化結構.減少所用材料的種類：選用易加工的材料、低能耗、少污染的材料，可回收再利用的材料，采用天然可再生材料。
2.1.2少無切削技術
隨著新技術、新工藝的發展，精鑄、精鍛、擺輾等成型技術和工程塑料在機械制造中的應用日趨成熟，從近似成型向凈成型方向發展。有些成型件不需要機械加工，就可直接使用.不僅可以節約傳統毛坯制造時的能耗、物耗，也大大減少了產品的制造周期和生產費用。
2.1.3節水制造技術
水這種寶貴的資源在機械制造中起著重要的作用。但由于我國北方缺水，從綠色可持續發展的角度，應積極探討節水制造的新工藝。
2.1.4新型刀具材料
減少刀具材料消耗，尤其是復雜、貴重刀具材料的磨耗是降低物料消耗的另一重要途徑，對此可采用新型刀具材料，發展涂層刀具。
2.1.5回收利用
綠色設計與制造，非常看重機械產品廢棄后的回收利用，它使傳統的物料運行模式從開環式變為部分閉環式。產品生產廠家對回收可再利用的元器件，進行選擇、回收和再利用等處理。
2.2節省能源的工藝技術
加工過程中要消耗大量的能量，這些能量一部分轉化為有用功，而大部分則轉化為其他能量形式而消耗掉。消耗掉的能量總是伴隨著各種各樣的有害損失。目前，可采取以下綠色技術。
技術節能。加強技術改造，提高能源利用率，如采用節能型電機，淘汰能耗大的老式設備。
工藝節能。改變原來能耗大的機械加工工藝，采用先進的節能新工藝和綠色新工裝。
管理節能。加強能源管理，及時調整設備負荷，消除滴、漏、跑、冒等浪費現象，避免設備空車運轉等。
適度利用新能源。可再生利用，無污染的新能源是能源發展的一個重要方向。
綠色設備和制造裝備將向著低能耗，與環境相協調的綠色設備方向發展?，F在已出現了干式切削加工機床、強冷風磨削機床等。綠色化設備減少了機床材料的用量，優化了機床結構，提高了機床能效，不使用對人和生產環境有害的工作介質。
2.3環保型工藝技術
生產過程是一個輸入輸出系統，當系統輸入所要求的要素時，系統輸出除最終產品外，還會輸出對環境、操作者等有影響或危害的物質，如廢液、廢氣、廢渣、噪聲等。環保型工藝技術就是通過一定的工藝手段，使其盡可能減少或完全消除，提高系統運行效率。可從以下方面考慮：
2.3.1減少大氣污染
2.3.2減少水污染
2.3.3減少其他污染
3.綠色制造工藝的開發策略
由于切削和磨削是目前獲得零件尺寸和形狀的主要手段，其主要優點是可以得到極高的尺寸和形狀精度，以及很小的表面粗糙度，其主要缺點是浪費原材料，加工效率低，對零件的表面材料性質有一定影響，且能耗大，切（磨）屑難于處理，即使能處理，其處理成本也很高，對環境又有污染（切、磨削液的用于排放、加工中揮發的煙霧等）。因此，對綠色機械加工工藝（干式切削、干式磨削等）的研究既具有理論意義，又具有廣泛的實際意義。
3.1采用電子技術改造舊機床
舊機床改造的主要目的是：提高機床的加工精度和效率，減輕操作勞動強度、擴大機床的功能，提高自動化程度和工作可靠性等。通常采用的電子技術有：數顯技術.可編程序控制器（PLC）技術，數據技術，變領調速技術等。
3.2干切削技術
材料切削是常規的機械制造工藝，通常是有切削液條件下的濕切削。實踐證明，使用和清除切削液的費用已明顯高于刀具的費用，此外還有切削液的環境污染問題干切削技術在不使用切削液的條件下進行。切削液傳統的排屑、冷卻、作用己逐漸由刀具設計與制造及其它方法所代替。
3.3冷輾擴技術
最初的冷輾擴技術只能做到輾擴和成型，達不到精度要求。隨著數控和比例技術的發展以及材料性能的改進，冷輾擴工藝得到了重視和發展。
80年代末出現了一種新的機型。其工作原理是一個用于生產外輪廓的驅動的外模具（輾壓輪）和――個用于生產內輪廓的被動的內模具（芯軸）在滑座的運動下由支撐輪擠壓在一起。套圈壁受輾壓而局部開始向徑向和切向滾動，并最終在整個直徑上變薄，使得套圈擴徑并成型。與傳統方法相比，這一方案不采用壓力控制，而是通過計算機數控根據輪廓，材料和直徑來控制壁由厚變薄。這一改進不僅擴大了應用范圍，更提高了加工精度。套圈的圓柱度由原來的0.5毫米縮小到0.04毫米.直徑公差過去為0.2毫米.現在小于0.08毫米?？梢哉f，冷輾擴工藝步驟少.節約原材料。
4.金屬粉末注射成型工藝
金屬粉末注射成型（MIM―――MetalPowderInjectionMoulding）是傳統粉末冶金工藝與塑料成型工藝結合的新型工藝。該工藝的基本過程是：金屬粉末與有機粘結劑均勻混合成具有流變性的膏狀混合物，然后在注射機上注射成型。得到的成型毛坯經過脫除粘結劑和燒結，燒結后的零件進行磨光和表面硬化處理。該工藝不僅具有工序少，無切削或少切削、經濟效益高等優點，而且克服了傳統粉末冶金工藝材料密度低、材質不均勻、機械性能低、薄壁不易成型和結構件復雜的缺點。適合于注射成型的材料非常廣泛，如碳鋼、合金鋼、工具鋼、不銹鋼、難熔合金、硬質合金、碳化硅、高比重合金、高溫合金等。還可根據用戶的要求進行材料配方研究，制造任意組分的合金材料。
【參考文獻】：
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中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A ？搖文章編號：1674-9324（2013）41-0107-02
《材料熱力學》是材料科學與工程專業的專業基礎課，是一門理論性和應用性較強的課程。通過《材料熱力學》課程的學習，學生能夠掌握《材料熱力學》的基本概念和理論，并利用《材料熱力學》進行相變、表面和界面等的分析和研究。然而《材料熱力學》具有概念多而易混淆、公式多而難記憶以及內容抽象難懂等特點，學生系統掌握該課程的內容比較困難，本文嘗試對教學內容和教學方法等方面進行探索，以提高《材料熱力學》課程的教學效果。
一、教學內容與實踐相結合
1.突出應用目的。本科《材料熱力學》教學重點在于熱力學基本原理及其在相平衡、表面和界面等領域的應用。由于學生在學習材料熱力學之前，已經學習過物理化學等課程，因此講授《材料熱力學》時，應將重點放在運用熱力學基本原理解決材料科學中的問題這一方面。在熱力學基本原理這部分內容的講授中，為了理論體系的完整性，我一般會對重要的定理和公式進行簡單地推導，使同學掌握基本原理的來龍去脈，而對于其他的定理和公式，我一般簡單分析一下它們的內涵和適用范圍，不做詳細的推導。我把熱力學原理在材料科學中的應用作為我的講課重點。我使用江伯鴻編寫的《材料熱力學》這本教材中有很多例題，但是我重點挑選與相變有關的典型例題來講解，比如：選擇熔化和凝固過程的熱量計算以說明熱力學第一定律在計算相變熱效應的應用，選擇熔化和凝固過程的熵變或自由能變化計算以說明熱力學第二定律在判斷相變方向的應用等，以突出《材料熱力學》課程以熱力學基本原理解決材料科學問題的講課重點。
2.增加科研和生產方面的內容。筆者經過幾年的材料熱力學的教學實踐，總結出：在教學過程中教師必須將科研和工程案例與教學內容相結合，這樣不僅讓學生在科研和工程案例中理解材料熱力學的基本概念和原理，同時了解理論對實踐的重要指導作用，激發學生的學習興趣。我們學院的一些學生承擔本校激光研究所鈦基激光熔覆層方面的大學生創新項目，我在講解自由能判據這部分內容時會引入這方面的實例，比如：為什么添加B4C的鎳粉在高能激光照射下會在鈦基體中形成TiB和TiC增強相。我的一個科研項目是有關碳纖維/銅基滑動軸承材料粉末冶金制備工藝的，我將這部分科研內容引入到表面和界面這一章中，向同學們講授為什么粉末冶金法制備碳纖維/銅基復合涂層時要使用表面預鍍銅的碳纖維為原料。我還經常將企業的生產內容融入到《材料熱力學》的教學中，比如我將人造金剛石的生產過程引入到封閉體系的熱力學基本方程這一章的教學中，以說明公式（？墜G/？墜T）P=-S和（？墜G/？墜P）T=V的應用；我還將氧化鋯生產過程中氯化銨廢水的處理和循環使用這部分內容引入到滲透壓的教學內容中，說明如何根據氯化銨廢水中離子的濃度計算出滲透壓，進而為反滲透設備中泵的選型提供依據。
3.增加實驗教學的內容。實驗教學是高等學校教學中的重要內容，具有直觀性、實踐性和客觀性的特點。以實驗作為主要手段進行的教學活動，可以揭示自然科學現象、驗證科學規律、探索未知、發展科學，更為重要的是在實驗中能夠培養學生務實求真的科學態度。我使用江伯鴻編寫的《材料熱力學》這本教材中沒有實驗教學方面的內容，為了彌補這一缺陷，我增加了“差示掃描量熱法測量材料的比熱容”和“計算機在相圖計算中的應用”等實驗內容?！恫牧蠠崃W》的實驗教學應達到以下目標：①幫助學生掌握《材料熱力學》的基本原理；②讓學生初步了解科學研究的方法；③培養學生自主解決問題的能力。因此在實驗教學過程中，①強調實驗課前的預習，要求學生根據實驗指導書寫出預習報告；②實驗過程中的檢查學生操作情況，要求學生獨立操作，如實記錄實驗數據；③教師課后批閱實驗報告，鼓勵學生在實驗過程中發現問題、提出問題和解決問題。
二、改進教學方法
1.討論式教學。我會結合剛講授過《材料熱力學》知識，設計一些與科研和工程密切相關的問題，讓學生以小組的形式相互討論共同完成。在下次上課時，我會讓某個或某幾個小組推舉同學上臺講解，其他同學提問，最后老師點評和總結，以培養學生自主解決問題能力。
2.多媒體教學。筆者在講授《材料熱力學》時，通常采用板書的形式，因為我覺得板書能將公式的推導和例題的計算一步一步清晰地展現出來，讓同學們能清楚地了解老師的解題思路。采用多媒體教學能提供形象、生動、直觀的畫面和視頻，增加信息量，節約教師板書和畫圖的時間，提高講課效率，我曾經嘗試過使用多媒體來展示解題過程，但效果并不理想。近年來，我傾向于以板書為主，多媒體為輔的教學方法。我一般將課堂要講述的主干內容用板書簡單、扼要、清晰地列在黑板上，使同學跟上老師的講課思路，對于一些抽象難懂的概念，我經常找一些圖片和視頻，使講授的知識更直觀、形象和生動。
三、改進考試方法
考試是知識水平的鑒定方法，大學階段的考試成績與學生評優、畢業甚至就業直接相關，學生的學習過程大多圍繞考試這根指揮棒轉，因此如何用好考試這根指揮棒，對提高教學效果至關重要。我傾向《材料熱力學》采用開卷考試的考核方式，在試題的設計上，避免出一些填空和名詞解釋等一些死記硬背的題目，而出一些判斷題和選擇題等靈活運用熱力學基本原理解決問題的題目，問答題和計算題都是與材料科學具體問題相關聯的，必須掌握熱力學基本原理及其實際應用才能正確解答。我希望通過這種考核方式，改變學生在應試教育下形成的學習方式，明確學習目的，提高自身運用知識解決實際問題的能力，養成獨立思考的習慣。
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一、綠色制造的基本概念
1、綠色制造的基本定義
綠色制造也可以叫做清潔制造、無浪費制造和環境意識制造等環保名稱。首先，我們來了解下制造業的概念。所謂的制造業是指將可用資源 （包括能源）通過制造過程，轉化為可供人們使用和利用的工業產品或生活消費品的產業。很多行業都涉及到了制造業，例如：電子行業、造紙行業、化工行業、機械行業、航天行業等很多行業都涉及到了制造業，因此制造業已經成為了我國國民經濟的支柱行業。那么，綠色制造的則是一個系統地考慮環境影響和資源效率的現代制造模式。綠色制造是指在資源制造過程中全面考慮環境和資源的因素，盡可能的做到對環境的污染最小，對資源的消耗量也最小，以此來做到企業經濟效益和社會的效益同時優化的一種現代制造模式。資源制造過程是指毛坯制造、材料選擇、原料冶煉、設計、生產、包裝、使用完后的維修和報廢這整個資源制造的過程。
2、關于綠色制造理念的基本內容
綠色制造理念的核心是在產品制造的過程中，使用綠色的材料以及清潔能源，通過運用綠色制造的理念來設計產品，以此來建立一個可持續性的產品生產和產品消費的模式，總的來說，綠色設計，清潔生產，綠色再制造是綠色制造理念的組成內容。因此，在制造的過程中，要求考慮到產品制造對環境的影響，盡可能的做到資源利用率最高的同時也要盡可能的減小對環境的負面影響。
二、基于綠色制造理念的機械制造工藝
基于綠色制造理念的機械制造工藝的基本內容包括以下幾點：機械材料的選擇、機械產品的綠色設計的建模、機械產品的可回收性和可拆卸性、機械產品的成本設計?；诰G色制造理念的機械制造工藝根據其的比基本內容，可以將綠色制造理念下的機械制造工藝技術可以分為以下幾點：
1、 節約能源的機械制造工藝
綠色制造理念為針對這些能量的損失，提供了以下幾項綠色的技術措施：
①工藝節能技術。工藝節能技術是指改變原來的耗能大的機械工藝中加工的技術，采用科學、先進的工藝節能技術以及綠色新工裝。
②適當的利用新能源。適當的利用新能源是指可再生的資源和污染的資源。
③管理節能技術。管理節能技術是指對能源的管理進一步的加強，避免設備空車運轉和能源浪費的現象。
④低能耗的工藝技術。在機械制造的過程中將綠色設備和制造裝備都進盡可能的向著低能耗的方向運用。其實在我國已經出現了這種低能耗的綠色設備，綠色設備在機床中的運用可以提高機床的能效和優化機床的結構。例如：強冷風磨削機床和干式切削加工機床。
⑤技術節能。技術節能是指加強技術的改造，并且提高能源的利用率。
2、環保型的機械制造工藝技術
環保型的機械制造工藝是指通過一定的工藝技術使得一些對環境或者人類有影響和危害的物質，例如：廢氣、噪聲、廢液等，將這些有害的物質盡可能的減少或者完全消除，以此來提高系統的運行效率。當然，在工藝設計的時候就該全面的考慮環保因素，提前積極的做好預防污染的產生，這樣才能更加有效的實施環保型的機械制造工藝技術。那么，在全面考慮環保因素的時候，可以從以下幾個方面來考慮：①減少水的污染，②減少大氣的污染，③減少環境的污染。
3、節約資源型的機械制造工藝技術
節約資源型的機械制造工藝技術是指在生產過程中簡化工藝系統組成、節省原材料消耗的工藝技術。例如：通過提高刀具的壽命，選擇新型的刀具材料，以此來降低刀具的組成材料的消耗。再如：通過優化毛坯的形狀，減少機械加工的余量，做到減低原材料的消耗。要實施節約資源型的機械制造工藝技術應從兩方面來實施，這兩方面分別是：設計、工藝。從設計的方面來說，可以通過對零件數量的減少和零件重量的減輕，以此來采用優化的設計技術，使得原材料的利用率提高。從工藝的方面來說，可以通過對毛坯的制造技術、下科技術的優化，以及利用干式加工技術和、少無切削加工技術、綠色切削加工技術等新型的機械加工技術來減少材料的消耗度。
三、基于綠色制造理念的機械制造工藝技術的策略
隨著我國新技術和新工藝的發展，精密鑄造、冷按壓、直接沉積等成型技術和工程塑料在機械制造中的應用日益成熟，從接近零件形狀向精密成形、仿形方向發展。那么，基于綠色制造理念的機械制造工藝技術的策略可以分為以下幾點：
①干切削技術?？偹苤?，材料切削是一種常規的機械制造工藝，一般都是在有切削液的條件下的濕切削?？墒沁@種濕切削技術會有環境污染的問題，而且費用還要高于刀具的費用，這不符合綠色制造的理念，因此，倡議使用干切削技術來實施機械制造。
②冷輾擴技術。隨著數控和比例技術的發展和進步，冷輾擴技術由原先只能做到輾擴和成型技術的，發展到了達到高精度要求的冷輾擴技術。
為了正確選擇加工方法，應了解各種加工方法的特點和掌握加工精度的概念。
1．加工精度的概念
加工精度是加工后零件表面的實際尺寸、形狀、位置三種幾何參數與圖紙要求的理想幾何參數的符合程度。在加工過程中，影響精度的因素很多。每種加工方法在不同的工作條件下，所能達到的精度會有所不同。例如精細地操作，選擇較小的切削量，就能得到較高的精度。也可以
2.選擇加工方法是需要考慮的因素
1）工件材料。依據材料性質決定加工方法。例如，有色金屬的精加工不能使用磨削以免堵塞砂輪，而要用高速精細車或精細鏜；淬火鋼的精加工則要使用磨削等等。
2）工件的形狀和尺寸。例如，對于公差為IT7的孔采用鉸、拉、鏜、磨等都可以實現，但是箱體上的孔一般不采用拉或磨，而是常常選擇鏜孔（大孔）或鉸孔（小孔）。
3）生產類型及生產率問題。選擇加工方法要與生產類型相適應。大批量生產應選生產率高和質量穩定的加工方法。例如，大批量生產時選用精密毛坯，如用粉末冶金制造液壓泵齒輪，精鍛錐齒輪，精鑄中小零件等，可簡化機械加工，在毛坯制造后直接進入磨削加工。
4）充分考慮利用新工藝、新技術的可能性提供工藝水平。
5）特殊要求。如表面紋路方向的要求，鉸削和鏜削孔的紋路方向與拉削的紋路方向不同等，應根據設計的特殊要求選擇相應的加工方法。
二、加工順序的安排
機械加工工藝路線一般要經過切削加工、熱處理和輔助工序。因此，在擬定工藝路線時，要充分全面把握切削加工、熱處理和輔助工序的關系。
切削加工的工序安排原則
先加工基準面
定為精基準的表面應安排在起始工序先進行加工，以便為后續工序的加工提供精基準。
劃分加工階段
工件的加工質量要求較高時，都應劃分階段。一般可分為粗加工、半精加工和精加工三個階段。加工精度和表面質量要求特別高時，還要增設光整加工和超精密加工階段。
先面后孔
對于箱體、支架和連桿等工件，應先加工平面后加工孔。這是因為平面的輪廓平整，安防和定位比較穩定可靠，先加工好平面，就可以以平面定位加工孔，保證平面和孔的位置精度。此外，由于平面先加工好，也給平面上的孔加工也帶來方便，是刀具的初始切削條件得到改善。
次要表面可穿插在工階段間進行加工
次要表面一般加工量都較少，加工比較方便。且能有效間隔各加工階段，消除工件因殘余應力的重新分布而變形的影響，在后續工序能有效糾正其變形。
熱處理工序的安排
熱處理工序是用于提高材料的力學性能、改善金屬的加工性能以及消除殘余應力。制定工藝路線時，應根據設計和工藝要求全面考慮。
預備熱處理
預備熱處理的目的是改善加工性能，為最終熱處理做好準備和消除殘余應力，如正火、退火和時效處理等。它應安排在粗加工前、后和需要消除應力處。放在粗加工前，可改善粗加工時材料的加工性能，并可減少工件更換加工車間的運輸量；放在粗加工后，有利于粗加工后參與應力的消除。調質處理能得到組織均勻細致的回火索氏體，有時可作為預備熱處理，安排在粗加工后。精度要求較高的精密絲桿和主軸等工件，常常安排多次時效處理，以消除殘余應力，減少變形。
最終熱處理
二.培養標準1
2.1具備從事工程開發和設計的科學知識1
2.2具備從事工程開發和設計的專門工程技術知識2
2.3具備分析解決工程問題和參與項目管理的能力3
2.4掌握必要的人文社會科學知識4
2.5具備良好的交流溝通能力及團隊合作能力4
2.6具備良好的職業道德和社會責任感5
三.知識能力體系及實現矩陣6
機械工程及自動化專業"卓越工程師"培養方案12
一.基本能力要求12
二.培養方式13
三.課程設置基本框架及說明14
3.1.課程設置基本框架14
3.2.課程設置框架說明15
四.課程體系及課程設置18
4.1.課程體系18
4.2.理論類課程設置18
4.3.實踐類課程設置21
機械工程及自動化專業"卓越工程師"企業培養方案23
一.培養目標23
二.培養標準24
三.管理模式24
四.培養計劃26
4.1實踐教學計劃26
4.2.企業聯合培養環節課程內容介紹27
五.企業實習基地29
六.教師隊伍建設30
6.1.校內專業教師任用標準及培養30
6.2.企業教師任用標準及分類30
6.3.企業教師聘用31
附件-企業實踐內容相關文檔模板32
機械工程及自動化專業卓越工程師培養計劃專業認知實習報告32
機械工程及自動化專業卓越工程師培養計劃專業認知實習指導教師總結33
機械工程及自動化專業卓越工程師培養計劃企業工程實踐管理規定34
機械工程及自動化專業卓越工程師培養計劃企業工程實踐教學任務書35
機械工程及自動化專業卓越工程師培養計劃企業工程實踐項目進度計劃表36
機械工程及自動化專業卓越工程師培養計劃企業工程實踐項目文檔37
機械工程及自動化專業卓越工程師培養計劃企業工程實踐報告39
機械工程及自動化專業"卓越工程師" 培養標準
北京郵電大學"卓越工程師培養計劃"中機械工程及自動化專業培養方案著眼于未來發展的需求,緊密追蹤前沿依托國家重點學科,重點實驗室具有扎實的工程基礎精通工程制圖,工程材料,產品設計,制造工藝等工程設計類技能同時兼具較強的分析綜合能力動手操作能力,具備獨立思考意識開拓創新精神,始終保持學習的姿態和存疑的態度,具有縝密的思維和嚴謹的作風協作互助的團隊意識適應我國信息產業發展對機電復合型具備從事工程開發和設計的知識具備從事工程開發和設計的知識電工電子基礎熟練掌握工程制圖標準和表示方法掌握公差配合的選用和標注..掌握機械產品設計的基本知識與技能,能熟練進行零,部件的設計.熟悉機械產品的設計和基本技術要素,能用計算機進行零件的輔助設計,熟悉實用設計方法,了解現代設計方法.和技術要素掌握制訂工藝過程的基本知識與技能,能熟練制訂典型零件的加工工藝過程,并能分析解決現場出現的一般工藝問題.熟悉鑄造,壓力加工,焊接,切(磨)削加工,特種加工,裝配等機械制造工藝的基本技術內容,方法和特點.熟悉工藝方案和工藝裝備的設計知識了解生產線設計和車間平面布置原則和知識.氣,液傳動原理及系統設計(氣動系統基本管路設計液壓系統基本管路設計)電氣傳動機械制造自動化剛性自動化加工設備(普通的自動化機床組合機床剛性自動線)柔性自動化加工設備(數控機床加工中心)1o'P)s,@*V#~6|0_+o.S/b3z掌握物流自動化設備分類(上,下料/裝卸自動化設備傳輸/搬運自動化設備)2@fr8W4n:K.J#H機械設計,機械加工,設計軟件,機械工程師,設備管理,焊接,液壓,鑄造,密封,測量,工程機械,粉末冶金,軸承,齒輪,泵閥,工業自動化信息流自動化郵件內部處理自動化搬運裝卸機械化,信息傳輸網絡化,營業窗口電子化郵政自動化,郵政計算機網等具備分析解決工程問題用科學方法,使用現有的技術,工具技術,設計,開發,生產工藝,設備操作或維修領域的問題.參與評價,具有判斷力和創意,提出專業的獨立技術見解外語應用能力熟悉與職業相關的安全法規,熟悉經濟和管理的基礎知識.了解管理創新的理念及應用.熟悉質量管理和質量保證體系,掌握過程控制的基本工具與方法,了解有關質量檢測技術. 三.知識能力體系及實現矩陣
知識與
能力要求實現環節1機械工程及自動化專業工程師知識體系1.1掌握必要的人文社會科學知識1.1.1具有良好的思想品德,社會公德,職業道德和強烈的社會責任感,使學生能正確認識工程領域對于客觀世界和社會的重要作用,理解工程專業及其服務于社會,職業和環境的責任.
1.1.2具備工程相關的經濟,管理,社會學,情報交流等人文知識,
1.1.3具備工程相關的環境保護,可持續發展方針,政策和法律法規知識.
思想政治,社會科學,人文科學與藝術,經濟與管理,自然科學類,實踐環節等1.2掌握系統的工程科學基礎知識1.2.1具備從事工程開發和設計所需的數理知識,
1.2.2了解工程學基本理論,建立工程和工程系統的概念,掌握工程研究的思路和方法,形成對科學研究的初步認識和綜合性的思維基礎.
數學類,物理類,機械工程及自動化導論,工程訓練,實驗環節等1.3掌握扎實的工程領域基本技能1.3.1熟練掌握一門外語,可運用其進行專業技術交流,開拓國際視野,
1.3.2熟悉計算機應用的基本知識,了解常用計算機軟件的特點及應用,具備熟練應用計算機解決工程問題的基本知識和技能,
1.3.3熟練掌握科技文獻檢索與工程實踐,科學研究的基本方法.
1.3.4通過工程訓練實習了解機械制造的一般過程,基本方法和技能.外語類,計算機類,科技文獻檢索,工程訓練,電動自行車拆裝及其它技能類,實驗環節等1.4掌握堅實的大類專業基礎知識1.4.1熟練掌握理論力學,電工電子基礎熟練掌握工程制圖標準和表示方法掌握公差配合的選用和標注..1機械工程及自動化專業工程師知識體系1.5掌握機電專業的專業基礎知識1.5.1掌握機械產品設計的基本知識與技能,能熟練進行零,部件的設計.熟悉機械產品的設計程序和基本技術要素,能用計算機進行零件的輔助設計,熟悉實用設計方法,了解現代設計方法.掌握制訂工藝過程的基本知識與技能,能熟練制訂典型零件的加工工藝過程,并能分析解決現場出現的一般工藝問題.熟悉鑄造,壓力加工,焊接,切(磨)削加工,特種加工,裝配等機械制造工藝的基本技術內容,方法和特點并掌握某些重點.熟悉工藝方案和工藝裝備的設計知識.了解生產線設計和車間平面布置原則和知識.氣,液傳動原理及系統設計(氣動系統基本管路設計液壓系統基本管路設計)電氣傳動1機械工程及自動化專業工程師知識體系1.6掌握機械系統理論1.6.1掌握機械制造自動化剛性自動化加工設備(普通的自動化機床組合機床剛性自動線)柔性自動化加工設備(數控機床加工中心)1o'P)s,@*V#~6|0_+o.S/b3z掌握物流自動化設備分類(上,下料/裝卸自動化設備傳輸/搬運自動化設備)2@fr8W4n:K.J#H機械設計,機械加工,設計軟件,機械工程師,設備管理,焊接,液壓,鑄造,密封,測量,工程機械,粉末冶金,軸承,齒輪,泵閥,工業自動化信息流自動化2機械工程及自動化專業工程師的能力素質要求2.1熟悉機械工程應用背景,具有較強的系統集成與工程應用的能力和獨立分析解決工程實際問題的能力.2.1.1能夠及時了解機械工程的需求變化以及技術發展趨勢,提出改善機械產品,系統,服務效能的方案.
2.1.2能夠用科學方法和觀點,使用現有的技術,工具或新興技術,設計,開發,生產,設備,工藝,操作或維修產品領域的問題.參與相關評價,具有判斷力和創意,提出專業的獨立技術見解2機械工程及自動化專業工程師的能力素質要求2.2具備綜合運用經濟,工程管理等知識和方法進行工程項目的組織管理能力.2.2.1掌握本專業領域相關的政策,法律和法規,在法律法規規定的范圍內,能夠按確定的質量標準,程序開展工作,
2.2.2能夠使用合適的管理體系,制定工程項目的規劃和預算,合理組織人力,資源和任務,有效協調項目相關各方的工作,提升項目組工作質量,
2.2.3具備應對工程項目實施過程中突發事件的能力和領導意識,并采取恰當的措施,確保項目或工程的順利進行,
2.2.4能夠進行可行性分析報告,項目任務書,投標書等工程文件的編纂,說明和闡釋,并能夠進行相關工程的評估,提出改進建議.專業實習
課程實習
學科競賽
科研訓練
大學生創新性實驗計劃項目
北京市及全國大學生機械創新設計大賽
選修《工程項目管理》《合同管理》《技術經濟》2.3具備良好的交流溝通能力及團隊合作能力
2.3.1能夠使用專業工程技術語言,與現場工作人員下進行溝通與表達,并能從中汲取企業文化內涵,
2.3.2具備個人和社交的技巧,能夠控制自我并了解,理解他人需求和意愿,
2.3.3具備較強的適應能力,自信,靈活地處理新的和不斷變化的人際環境,能夠很快地融入到企業的實習環境中,
2.3.4具備良好的團隊合作精神與協調能力,具有在團隊中敢于負責任,果斷推動事情向前發展的領軍魄力,
2.3.5具有國際視野和跨文化環境下外語應用能力2機械工程及自動化專業工程師的能力素質要求2.4具有較強的創新精神,信息獲取,知識更新和終身學習的能力2.4.1能夠跟蹤本領域最新技術發展趨勢,具備收集,分析,判斷,選擇國內外相關技術信息的能力,
2.4.2為保持和增強其職業能力,檢查自身的發展需求,制定并實施自身職業發展計劃.
2.4.3具有較強的能力.2.5具備良好的職業道德和社會責任感2.5.1熟悉本行業適用的主要職業健康安全,環保的法律法規,標準知識.
2.5.2熟悉企業員工應遵守的職業道德規范和相關法律知識.
2.5.3遵守所屬職業體系的職業行為準則,并在法律和制度的框架下工作,
2.5.4具有良好的質量,安全,服務和環保意識,并承擔有關健康,安全,福利等事務的責任,
2.5.5熱愛所從事的工作,并遵守企業機密.專業實習
企業高管講座
0 前言
核電站運行過程中，核燃料的裂變產物和吸收中子后形成的超鈾元素，具有強放射性，存在潛在的危險。因此，在壓水堆核電站的設計中采用了多道屏障的措施，以確保運行人員和周圍居民的安全，并避免對環境的污染。
第一道屏障是核燃料本身：壓水堆的核燃料是UO2芯塊，其熔點超過2800℃，發生裂變后，絕大部分產物仍是固體，98%以上的放射性物質仍保留在其中。第二道屏障是核燃料包殼：UO2芯塊密封在優質鋯合金包殼管內組成核燃料單棒。確保將放射性物質包容在燃料包殼中。第三道屏障是壓力邊界：即使有少數燃料棒破損，泄漏的放射性物質仍停留在一回路壓力邊界內，不會排入環境。第四道屏障是安全殼：確保反應堆發生任何事故，一回路壓力邊界內泄漏出來的放射性物質能夠被包容在安全殼內，不會逸出。由此可見，燃料芯塊和燃料包殼作為核電站核安全的第一、二道屏障對核電站的安全運行起著十分重要的作用，然而燃料組件在堆芯運行過程中往往會因各種原因造成燃料棒包殼的破損。
曾經把壓水堆燃料元件破損分為七類，而其中的三類（氫化、PCI、包殼坍塌）直接與二氧化鈾燃料芯塊的質量有關。為此英國核燃料有限公司（BNFL）提出了完美燃料芯塊的概念，來確保芯塊質量：
1）開口孔率最少，以減少水和氣體的吸附，避免鋯合金包殼管的氫脆；
2）盡量不使燃料芯塊在堆內密實，以避免包殼坍塌和出現局部中子通量峰；
3）有足夠的孔隙空間容納基體腫脹，減小包殼變形；
4）盡量減少裂變氣體釋放，防止包殼內部超壓。
可以看出，所有這些條件都與UO2芯塊的微觀結構有關。
1 二氧化鈾芯塊的制造工藝
1.1 二氧化鈾粉末壓制成型
UO2粉末都要經過壓制成型，才能制成滿足燃料元件要求的芯塊。壓制成型工藝的目的是將松散的粉末壓制成具有一定形狀、尺寸、密度和強度的坯塊，它的形狀和尺寸應使其在燒結以后，與所要求的芯塊的最終形狀和尺寸接近，它的密度應達到可以使坯塊容易燒結，坯塊強度也應保證在隨后的運送和操作中不致損壞。
圖1 示出了 UO2粉末在自動壓機上冷壓成型的步驟：裝模、壓制、脫模、推走坯塊和重新裝模。一定重量或一定體積的 UO2粉末裝入膜腔，壓機通過沖頭對粉末施加壓力，粉末在外力作用下嵌鑲、嚙合、形成一定尺寸、形狀、密度和強度的坯塊，再從膜中取出坯塊。
UO2粉末特性及壓制條件對坯塊質量有很大影響，包括密度分布，回彈量和強度。粉末壓制過程中，因內、外摩擦力的影響會引起壓制壓力沿徑向和軸向變化，造成坯塊密度在軸向及徑向分布不均勻，通常單向壓制的坯塊中，離施加壓力的沖頭越近的部位密度越高，遠離的一端密度低；雙向壓制的坯塊中，兩端密度高，中間密度低。坯塊的密度不均勻會造成燒結后芯塊呈砂漏形或扭曲變形。為了提高坯塊密度均勻性，一般從三個方面入手：（1）采用預壓造粒來提高粉末的流動性，（2）粉末中添加劑、模具內壁涂劑、提高模具的硬度和表面光潔度來降低內外摩擦，（3）提高壓坯載荷。而最重要的途徑是提高粉末的流動性和降低粉末摩擦。
粉末顆粒在壓制過程中產生彈性變形和塑性變形，在外力撤除后會一定程度的回彈量，坯塊沿著軸向和徑向膨脹?？稍诜勰┲刑砑诱辰觿┖蛣?，使坯塊強度增加，從而減小回彈量。前者隨壓制壓力增加，彈性后效增加。后者在壓制壓力作用下，易產生粉碎性斷裂，顆粒嚙合和鑲嵌，強度增大，隨著壓制壓力增加，彈性后效減小。
坯塊強度是坯塊重要性能之一，坯塊需經質量檢查、運輸和燒結等操作過程，必須具備一定的強度。粉末在壓制過程中，粉末表面粗糙度愈高，壓制后顆粒相互嚙合就越緊，坯塊強度愈高。
1.2 燒結
壓制好的燃料坯塊需經過燒結才能達到具有足夠高的密度、強度、合適的氣孔分布及晶粒度、小的吸濕性和正比化學計量，從而有良好的輻照穩定性、化學穩定性和高的熱導率。坯塊的燒結是在氫氣氛下進行的，燒結工藝如圖 2 所示，主要分為三個階段。
第一階段：發生在 750℃以下，主要是活性UO2粉末表面吸附的可揮發物質組分的清除和殘留應力消除階段。在這個溫區內，水和吸附氣體解析、揮發，過剩氧被還原成水蒸汽逸出，有機物經碳化后與氫氣反應生成甲烷逸出，雜質氟也相繼生成 HF 排出，改善顆粒間的接觸，同時，坯塊壓制產生的殘留應力逐漸松弛消除。
第二階段：溫度在 750～1300℃，UO2坯塊明顯收縮，小孔隙迅速消除，坯塊密度和強度隨溫度增加而增大。
第三階段：此階段溫度在 1300℃以上，直到 1700℃，燒結加快進行，坯塊迅速收縮，顆粒接觸面增大成界面，孔隙球化，晶粒長大，密度和強度增至最大。 影響 UO2高溫燒結的因素有：
1）粉末性質：主要有顆粒尺寸、形狀、孔隙度、比表面積、粉末密度、O/U等，其中比表面積是粉末活性的綜合量度，在一定程度上反映出粉末的可燒結性。
2）壓制參數：主要有粉末粘性、劑添加物及坯塊密度，其中坯塊密度反映出坯塊中孔隙的大小和數目，孔隙收縮是燒結致密的重要結果。
3）燒結氣氛：水冷堆用 UO2芯塊中均在氫氣中高溫燒結，這樣可有效去除超化學計量的過剩氧，使O/U接近2.00。
UO2燒結一般用連續式推舟高溫爐中進行，燒結后的芯塊的面形狀、尺寸和表面質量等還不能達到組裝燃料棒的要求，一般需要用無芯磨床進行磨削加工后才能使用。
二氧化鈾芯塊的制造對其熱學、力學、化學性質以及堆內行為和裂變產物行為等有較大的影響，主要影響因素有：
1）燒結密度，以理論密度的百分數（%T?D）來表示；
2）孔隙率，包括開口孔率和閉口孔率；
3）孔隙結構；
4）晶粒結構。
2 二氧化鈾芯塊的微觀結構對芯塊質量影響的分析
二氧化鈾核燃料芯塊是由粉末經壓坯、燒結而成，為多孔體，芯塊密度和孔隙率、孔隙結構和晶粒結構等表征芯塊微觀結構特征的參數與其存在狀態和制備條件密切相關。
2.1 芯塊密度或孔隙率
二氧化鈾芯塊密度是其作為核燃料的重要技術指標。一般來說，反應堆的堆型不同，設計的燃料燃耗深度不一，對芯塊密度的要求也不一樣。從多一些裂變材料以提供更多的反應能考慮，希望密度高一些。但如果芯塊密度越高，芯塊孔隙率越低，則芯塊產生的裂變產物無處容納，從而使燃料基體腫脹，產生芯塊和包殼之間相互作用的不利影響。一般芯塊密度為95%T.D.左右。確定了芯塊密度即可確定孔隙率，如芯塊密度為95%T.D.，則孔隙率（孔隙率包括閉口孔率和開口孔率）為5%。
在燃料芯塊制造過程中，主要通過二氧化鈾粉末冶金過程、提高預壓密度、燒結以及添加調節劑（如八氧化三鈾）或有機造孔劑等手段調節芯塊密度。
2.2 孔隙結構
孔隙結構包括孔隙形狀、孔隙尺寸與分布。它是影響芯塊堆內熱穩定性的最重要的芯塊特性。
在二氧化鈾芯塊燒結過程中會形成一些氣孔，氣孔中存在著H2、H2O、CO、CH4等燒結氣氛的氣體，在燒結溫度下氣體壓力與氣孔表面張力平衡。二氧化鈾在燒結過程中將發生體積收縮、孔隙球化和晶粒長大三種基本變化，且這三種變化相伴而行。實際上，在絕大多數情況下，燒結孔隙率的變化是依靠開口孔或連通孔的變化進行的，在燒結過程中，這些孔隙的一部分被完全填滿，另一部分孔隙則被轉化成獨立的或閉塞的孔隙。開口孔的燒結速率取決于空位遷移的驅動力、擴散的途徑和擴散的距離。一般來說在任何燒結塊中，當總孔隙率達到9%時，孔隙將會閉合。而大約在相對密度達到85%T.D.之前，坯塊仍保持全部為開口孔；從這個密度之后繼續燒結，孔隙開始閉合，而且隨著燒結過程的進行，孔隙閉合急劇發生，大約在坯塊相對密度為95%時，孔隙幾乎完全閉合。
在堆內運行時由于芯塊存在陡的溫度梯度、很大的熱應力以及裂變碎片產生的級聯碰撞（包括離位峰、熱峰、Frenkel空位―間隙原子對等），使氣孔發生收縮，以保持氣泡的熱力學平衡。
當裂變碎片和放射性射線穿過氣孔時，氣體電離。重離子產生的離子對是密集的，且氣體壓力很高，這種離子對很容易復合，但離子也有到達氣孔表面的概率。當H、O離子到達氣孔表面時，很容易與二氧化鈾中的氧、鈾院子復合而擴散到芯塊中去，造成氣孔內氣體減少，發生進一步收縮，直至最后湮滅。氣孔越大離子達到氣孔表面概率越小，同時裂變氣體進入大氣孔的概率增加，因而存在臨界半徑，小于臨界半徑的氣孔是不穩定的，會發生湮滅。而大于臨界半徑的氣孔，先是收縮，隨后在裂變氣體進入量的增加而長大，即UO2芯塊在堆內輻照的運行初期，芯塊中微小的孔隙重新分布和消失，造成輻照密實化，出現芯塊體積縮小的現象。隨著燃耗加深，芯塊內裂變氣體積累增多，引起芯塊基體腫脹。這些輻照引起的尺寸不穩定性，影響到反應堆的運行安全性。
為避免芯塊的輻照密實，在芯塊制備過程中加入制孔劑（如八氧化三鈾等），是芯塊的氣孔尺寸都大于1.5μm，就不會發生氣孔的湮滅。雖然開始由于氣孔的不平衡收縮，芯塊有輻照密實現象，但氣孔尺寸大不會發生氣孔的湮滅，在經過短暫的收縮后很快就穩定下來，隨著裂變氣體擴散進氣孔，又逐漸長大，并超過原來的尺寸，則導致芯塊向輻照腫脹過程發展。
盡管行業內存在利用芯塊在堆內腫脹和密實相互補償的設想，但由于輻照初期、中期和末期腫脹和密實的情況往往是不一樣的，故只能做最優化選擇，最佳的芯塊密度通常為95%T.D.左右，孔隙呈單峰型分布，平均孔徑2～3μm（注：與標準燃料相比，高燃耗芯塊的孔隙分布范圍更加狹小，且峰值要高）。
2.3 晶粒結構
芯塊的晶粒尺寸和分布是燃料棒設計的一項重要內容。輻照結果表明，大晶粒的二氧化鈾芯塊更抗密實化。且晶粒尺寸更重要的意義還在于它對裂變氣體釋放的影響：大晶粒芯塊增加了輻照下裂變氣體由晶粒內部到晶粒邊界擴散的平均路程，延緩了它在晶體邊界的析出，同時，隨著晶粒的增大，單位晶界面積減少，從而降低了輻照下裂變氣體的釋放量，此外，適當增加芯塊晶粒尺寸還可以提高芯塊在輻照下的抗蠕變能力。這些都有力的支持了減輕芯塊與包殼的相互作用（PCI）。
壓水堆核電廠為了獲得更高的經濟效益，正在向延長循環長度和加深燃耗的方向發展。AP1000的電廠采用18個月或24個月的換料循環模式，平均卸料燃耗逼近60GW?d/tU。這種情況下大晶粒的二氧化鈾芯塊更表現出了極大地優點。
目前，公認的大晶粒芯塊的制造方法主要有三種：制造高燒結活性的二氧化鈾粉末、采用高溫和長時間燒結工藝、在基體二氧化鈾粉末中添加晶粒長大劑。
3 結論
芯塊密度或孔隙率、孔隙結構和晶粒結構在內的這些表征芯塊微觀特征的結構形式，在很大程度上決定了芯塊的堆內行為。因此，在制造過程中有效地控制這些結構特征，就可以滿足反應堆對芯塊的要求。同時，作為核電廠派駐燃料組件制造廠的制造質量監督人員應了解芯塊微觀結構對芯塊質量的影響，加強對影響芯塊密度或孔隙率、孔隙結構和晶粒結構的工藝的控制，確保在反應堆運行工況下有更高的可靠性，實現最低的燃料破損率。
【參考文獻】
[1]陳寶山，劉承新.輕水堆燃料元件[M].
