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黄培云，1917年8月23日生于北京市，祖籍福建省闽侯县（今福州市）。其父在海关工作，经常易地任职，全家随行。因此，黄培云小学读于北京，初中读于烟台，高中读于苏州。但这并没有影响他的学业，反而使他开阔了眼界，增长了不少见识。
由于勤奋好学，1934年，他以优异的成绩考入了清华大学化学系。1935年，为了挽救民族危亡，他毅然参加“一二・九”运动。1937年，日本侵略军进占北平，清华大学迁至长沙，与北京大学、南开大学组成西南临时大学，不久又西迁昆明成立西南联合大学。1938年2月，黄培云参加由闻一多等教授率领的步行团，并担任学生小组长，风雨兼程，历时两个多月，从长沙步行到昆明。这次步行对黄培云一生影响极大。在忆及这段往事时，他说：“它不但锻炼了我的身心，更重要的是深入穷乡僻壤，了解到不少民间实际情况与疾苦，使我进一步向进步与革命靠拢。”同年9月，黄培云大学毕业，在清华大学金属学研究所任助教。
1940年，黄培云考取清华大学第五届公费留美生，在麻省理工学院研究生院攻读博士学位。1945年获科学博士学位后，他继续在该院从事博士后科学研究工作。
为了中华民族的振兴，黄培云毅然偕同已入美国籍的夫人于1946年底回到了祖国，以图科学救国。1947年春，他受聘到武汉大学矿冶系任教授和系主任。
建校不是做好桌子板凳就行
1952年，国家对高等学校进行教学改革与院系调整，决定将武汉大学、湖南大学、广西大学、南昌大学的矿冶系，中山大学的地质系，以及北京工业学院的选矿系进行调整合并，成立独立的中南矿冶学院。该学院定位为以培养有色金属工业需要的人才为主，时任武汉大学矿冶系主任的黄培云参与了筹建工作。
校址最后选定在湖南长沙。“建校时最困难的是没有人，我们就在长沙即将毕业的学生中找几个能干的。”黄培云生前回忆道。他们先对学校的桌椅板凳、实验台需要多少木头进行估算，再去买木头，并且总能买到最好的木头。之后，他们又买了马达和锯片，自己装了锯木头的机器。很快木工厂建起来了。“说是木工厂，实际上除了那台锯以外，什么都没有。但学生们就是用它制作了一大批小板凳。”黄培云生前回忆起建校情景时娓娓地说道。
然而，建校不是把桌子板凳做好就行了。几所学校的师生加起来有好几百人，加上当时交通不便，从四面八方赶到长沙来这个过程就不简单。修整校舍时实在买不到瓦，他们就自己动手做瓦；建房子需要大量的砖，他们就自己建窑压胚烧砖，还因为用水的问题，他们办了一个小型自来水厂，甚至为了开出一条运输路，他们用锄头一点点地把羊肠小道铲平、开通。
面临6所学校所用教材差别很大的问题时，他们把6个学校的教材摆在一块儿，强中选优，最后确定以武大、湖大、北京工业学院的教材为主。
他们秉着革命的精神为建校出谋献力，终于学校在1952年11月如期开学，黄培云被任命为副院长。
黄培云倡导的“三严”作风――严肃对待教学工作、严密组织教学过程、严格要求学生在建校后起了很大作用。“我们一方面不断改善教学物质条件，一方面大力培养师资。学院成立时只有两万多平方米，实验室、教室、宿舍等都非常缺乏。”黄培云生前接受记者采访时说，用了大概3年时间，教学楼、实验楼相继建立，实验室设备不断补充，教学质量也有了提高。
从1954年开始，学院在苏联专家的指导下，改组了院务会议，调整教研组，修订教学计划及教学大纲，对教学法展开研究。1956年，中南矿冶学院培养出第一批毕业生，较强的专业能力和综合素质使这些毕业生受到用人单位的欢迎。
填补我国粉末冶金学科空白
不仅是奠基粉末冶金学科、培养学科人才，黄培云更是见证了它的发展。
粉末冶金是一门制取金属、非金属和化合物粉末及其材料的高新科学技术，它能满足航空、航天、核能、兵器、电子、电气等高新技术领域各种特殊环境中使用的特殊材料的要求。一些发达国家早在20世纪初就开始了该领域的研究，而中国在1950年代还是一片空白。
当冶金部把设立粉末冶金专业的任务下达给中南矿冶学院时，谁都不知道粉末冶金是怎么一回事。黄培云说他在麻省理工学院学过一门30学时的粉末冶金选修课，有点概念，但当时并不太重视这门课程。从那以后，黄培云在学术和专业方面由一般有色金属冶金研究转向集中研究粉末冶金与粉末材料。
1材料成型与控制工程概念阐释
材料成型与控制工程是一个实用性学科，该学科剖析各种类型材料的宏观结构、微观结构、表面形态转换，深入研究材料热加工方法和塑性成形方法。材料成型与控制技术一般应用在机械制造行业、建筑行业以及设备加工行业，技术水平直接决定了这些行业产品制造质量、产品制造效率，关系到制造行业的利润，对于我国工业发展起到关键性基础作用。一般来说，产品设计必须应用材料成型与控制工程理论内涵以及具体的加工工艺，确定材料的性质、特点以及加工成品的功能，合理规划设计材料加工。金属材料是目前工业生产中较为常见的材料，材料成型与控制工程以分析金属材料性质、特点为主，充分考虑到材料成型与控制工程理论内容以及金属材料加工方法，探究材料成型与制造的关键技术，并利用领先的加工技术，实现制造技术的革新，确立我国工业制造的领先优势。加工金属材料时，需要应用到多种工艺技术，例如冲压、挤压、锻造、铸造以及焊接等工艺，这些工艺对技术水平提出了较高要求，每个技术环节出现差错都极易导致成型产品出现瑕疵，成型产品质量难以达标，其使用性能不能达到相关要求。因此，使用、加工金属材料之前，应仔细分析材料的物理性质、化学构成，并对材料进行测试，使其达到加工成型相关要求，结合此种材料的工作环境特点准备复合材料。
2材料成型与控制工程中加工金属材料的具体方式
2.1机械加工成型方法概述。机械加工成型作为金属材料加工过程中使用最为频繁的一种方式，这种方法的优势在于加工简便，设备资源较为丰富，加工金属材料的范围涉及到多个种类，加工精度高，能够加工几乎所有的金属材料。机械加工设备由普通机床逐步升级到数控机床，早期车、铣、刨、磨加工工序是单一的、独立的，现如今已经形成具备综合加工能力的加工中心，提高了加工效率和加工精准性。机械加工金属材料需要结合产品的材料性质、形状特点，分析选择对应的加工工艺，确定工艺路线，选择钻、车、铣等加工方法以及相应的加工刀具。通常在对硬度较低的金属材料进行机械加工时，钻、铣等加工方式需要应用高速某材料刀具，车削加工应用硬质合金类刀具，此类刀具表面适合涂层使用；在机械加工高硬度金属材料时，适合选择金刚石、立方氮化硼、陶瓷等材料制作的刀具，加工时使用切削液，能够降低加工金属材料表面和刀具的摩擦力，并将加工时产生的热量带走，确保材料加工质量达标。在机械加工特殊金属材料时，适合选择线切割、雕刻、电火花等加工方式，对于表面质量有较高要求的，应采取磨削加工方式，并根据具体情况实施抛光处理。2.2粉末冶金成型方法概述。粉末冶金技术是一种传统的材料成型与控制工程加工成型技术，该种技术在促进我国工业发展起到了积极的作用。粉末冶金成型技术最初应用在复合材料零件的制作过程中，利用压力成型的工艺完成加工、成型，适合应用在尺寸小、形状单一的零件制造中。该技术具有较强的适应性，能够应用于多种材料，工艺流程并不复杂，使用时突出增强相分布均匀、组织细密、界面反应少的特点。伴随科技的进步、加工制造技术的突破，该种技术也得到了发展和改进，现如今该技术主要应用于汽车、军事领域产品制造中，例如预制破片、刹车片等。应用粉末冶金成型技术生产、制造的金属产品具有较强耐磨性、较大强度，应用在特种工程领域中能够体现出较高的应用价值，例如含油材料制品。粉末冶金成型技术根据成型方式划分成三类：传统压制成型方式，注射成型方式，3D打印成型方式。粉末冶金成型技术在应用过程中必须将成型方法与金属材料的物质性质、化学性质、产品特点、产品要求相一致，以此来提高产品质量、产品精度、生产效率。2.3粉末冶金成型技术分析概述。粉末冶金工艺流程包括配料环节、混料环节、成型环节、脱脂环节、烧结环节、后处理环节。汽车以及机械设备使用的齿轮具体以压制成型的加工工艺为主，这种工艺具有较高的生产效率，且材料成本低廉，产量大，适合规模生产。轻武器零件类似扳机等，具有较高的机械性能要求和尺寸精度要求，同时该产品形状复杂；医疗器械例如止血钳等产品要求较高的机械性能和表面质量标准；电子零件例如手机按键，具有较高的尺寸精度要求和质量要求，这些产品都应选择注射成型工艺加工，待烧结后制品无成分偏析，精度准确、机械性能好、组织致密、表面质量好，密度为7.6g/cm3~7.8g/cm3，后期能够采用整形、热处理、表面处理、机械加工工艺进行加工。现如今，应用粉末冶金成型技术能够体现出性能良好、效率高、生产成本低的优势。2.4冲压、挤压、塑性成型方法概述。冲压、挤压、塑性成型方法的应用范围最广。技术人员仅需要结合基础材料成型特点，利用模具表面涂层以及技术，优化加工过程中的应力状态，从而减少材料加工成型中的摩擦阻力，释放材料压力，提高产品质量。冲压、挤压、塑性成型过程在加工复合材料时，应结合增强材料比例、材料尺寸、材料强度、材料种类、材料质量选取适当的冲压、挤压、模锻及其他塑形方式，进而制造高质量金属材料制品。塑性成型过程中如果被加工金属强度低，应提高加工速度。上述内容重点阐释了应用冲压、挤压、塑性成型方法时应重视模具的设计、制造、方法、条件。2.5铸造成型方法概述。铸造成型加工方法包括熔模法、压力法、反重力法、消失模法，离心法等，通常应用在低精度要求大批量产品成型，这些产品都需要后续机械加工操作。
关键词：机械合金化技术 材料科学与工程 教学实践
对于材料科学与工程专业的本科生来说，到了大三和大四就要学习许多专业课程和专业选修课程。其中有些课程属于材料合成与制备方法方面的内容。在材料合成与制备方法的课程教学中就需要涉及到材料的某些制备工艺，例如某些金属合金的制备工艺方法。对于金属合金的制备方法，很多教科书都详细地讲述铸造技术、焊接技术、粉末冶金技术、金属熔炼技术等，但也会涉及到机械合金化技术。机械合金化技术是近年来发展起来的一种制备高性能合金的新技术。这种技术主要是利用机械球磨工艺把不同种金属粉末通过机械球磨方式通过一定时间的球磨，最终使这些金属元素粉末通过机械球磨工艺形成金属合金，所以最终能够得到需要的新型金属合金材料。由于机械合金化工艺可以在常温下进行，不像金属熔炼技术那样需要较高的温度才能熔化金属，因此机械合金化技术更为实用，成本较低，而且材料的制备工艺简单。所以机械合金化技术近些年来发展较快，机械合金化技术所能够制备的金属合金材料的范围和种类也在不断地扩大，所制备的材料的性能也逐渐得到提高。由于机械合金化技术制备金属合金粉末的制备工艺简单，成本较低，使用的金属元素种类较多，而且可以用于实验室进行教学实验，所以机械合金化技术也逐渐应用到了材料科学与工程专业的课程教学与实践教学中。采用机械合金化技术制备金属合金粉末可以作为本科生实验课程的教学实验，也可以作为本科生的课程设计和毕业设计的教学内容。所以机械合金化技术将在材料科学与工程专业的教学实验中具有非常广泛的用途。
一、机械合金化技术的原理和应用
在机械合金化过程中，粉末受到磨球强烈的碰撞和挤压。极平的、纯净的金属表面在常温下加压可焊接在一起，这就是冷焊，也称为压力焊。塑性较好的金属粉末，在磨球的碾压、冲击下发生形变并以十分纯净的表面彼此接近到原子作用力的距离，同样可以冷焊在一起，形成相互交叠的层片组织，而脆性粉末或塑性粉末加工硬化变脆后，在冲击下直接破碎，所以球磨过程因体系不同而不同。在延性的金属-金属混合粉末中，粉末的变化分为三个阶段：颗粒粗化-破碎-粉末粒度的稳态分布，相应的称为初期、中期和后期。在机械合金化过程的初期，主要是冷焊过程，塑性粉末含量越多，粗化越明显，颗粒直径可到数毫米，同时颗粒表面也相当平滑；在机械合金化中期，冷焊和破碎交替进行，层片状较大颗粒与细小颗粒共存，细小颗粒是从大颗粒上脱落下来的，这一阶段各层内积蓄了能使原子充分扩散所需的空位、位错等缺陷，不同组元的扩散距离也接近原子级水平，合金化过程开始。在机械合金化过程的后期，基本上只有粉末颗粒破碎的过程，颗粒粒度趋向于最小值，因此也比较均匀。延性的金属与脆性的非金属或化合物组成的体系，脆性组元首先发生破碎，延性组元则首先发生变形，细小的脆性粒子处于延性颗粒之间。随后延性组元逐渐加工硬化，发生断裂和脆性组元一样尺寸不断减小。
机械合金化（MA）方法（塑性-塑性混合粉末）原理是：将金属粉末在磨球的碾压和冲击下发生形变，并以十分纯净的表面彼此之间接近到原子作用力的距离，实现冷焊，最终形成相互交叠的层片状组织。这个过程一般要经历颗粒粗化、破碎、粉末粒度的稳态分布三个阶段，其中初期以冷焊过程为主，粉末明显粗化，中间过程冷焊与破碎交替进行，层片大颗粒与细小颗粒共存，各层内积蓄了能使原子充分扩散所需要的空位和位错等的缺陷，使不同组元的扩散距离接近于原子级水平，合金化过程开始；在后期只有破碎过程，颗粒趋向于最小。机械合金化工艺可获得纳米颗粒，能使固溶、沉淀、弥散三种强化结合于一体，从而制备出性能优异的高温合金。
二、机械合金化技术在材料科学专业的课程教学与实践教学中的应用
在材料科学与工程专业的一些专业课程，例如材料合成与制备方法、纳米材料、功能材料等课程都讲述了机械合金化技术。例如在材料合成与制备方法这门课程中，有讲述金属合金材料的制备方法，除了传统的铸造工艺、焊接工艺、粉末冶金工艺以及金属熔炼技术之外，重点讲述机械合金化技术，因为机械合金化技术可以制备很多种金属合金材料，而且制备工艺简单，可以在常温下进行。由于机械合金化技术可以在实验室中进行，所以可以很方便开设实验课程。在纳米材料这门课程中讲述了纳米粉末的制备工艺，其中主要讲述了机械合金化工艺。因为机械合金化工艺制备纳米粉末的种类最多，涉及到很多种金属材料以及金属基复合材料的制备与合成等。还可以利用机械合金化技术制备复合材料，例如用机械合金化工艺球磨不同种元素粉末，使不同种金属元素通过机械球磨工艺形成金属合金粉末，所以通过机械球磨工艺原位合成金属基复合材料。在功能材料这门课程中，讲述利用机械合金化工艺制备纳米粉末颗粒和功能材料，例如制备贮氢合金Mg-Ni合金等。或者利用机械合金化技术制备铁磁合金材料、非晶态材料、纳米功能材料等各种先进功能材料。
利用机械合金化技术可以制备具有纳米尺寸量级的金属合金粉末。采用机械合金化技术制备的金属合金有很多种，例如采用机械合金化技术可以制备Fe-Al金属间化合物粉末、Ni-Al金属间化合物粉末，Ti-Al金属间化合物粉末，以及Ni-Fe合金、Fe-Si合金、Cu-Al合金等多种金属合金材料。以上讲述的都是利用机械合金化工艺制备二元合金材料。也可以利用机械合金化技术制备三元合金、四元合金以及多种成分的金属合金材料。例如利用机械合金化工艺制备Fe-Ni-Cr合金、Fe-Al-Ni合金，以及利用机械合金化技术制备具有多种成分的非晶态合金等。还可以利用机械合金技术制备贮氢材料，例如采用机械合金化工艺制备Mg-Ni合金等。采用机械合金化工艺制备的金属合金材料有很多种，有些金属合金材料的机械合金化制备工艺可以作为材料专业的教学实验，可以为学生演示如何利用机械合金化工艺制备高性能金属合金材料。例如采用机械合金化工艺制备Fe-Al金属间化合物粉末材料。采用机械合金化工艺可将固溶、沉淀和弥散三种强化方式结合与一体，制备一系列具有优异性能的高温合金。对Fc-Al合金的机械球磨或Fe-Al元素混合粉末的机械合金化已开展了一定的研究。Fe，Al纯元素混合粉末在球磨过程中，粉末受到强烈的碰撞、挤压，冷焊和破碎的相互作用使粉末细化，并在一定阶段形成金属合金。经过机械合金化工艺后就得到了粉末粒度极细的Fe-Al金属间化合物粉末。同时还可以采用机械合金化技术制备Ni-Al合金粉末、Ti-Al合金粉末等。
通过机械合金化工艺可以制备多种新型的金属合金粉末，而且成本较低，实验过程简单，可以作为本科生的实验教学课程内容。例如可以开设纳米材料的制备工艺的实验课程，使本科学生通过机械合金化工艺制备多种具有纳米结构的金属合金粉末，并对所制备的金属合金粉末进行性能表征，使学生通过实验课程认识和了解纳米材料的整个制备工艺以及表征方法。还有使学生通过机械合金化工艺制备先进的金属功能材料，如贮氢材料、纳米材料、铁磁性材料等，通过制备工艺结合性能表征使得学生对新型功能材料有了一定的认识和了解。
通过实验教学使学生认识和了解到机械合金化技术在材料科学与工程中的研究发展与应用，使学生加深课程教学知识内容的认识和掌握，使学生在课程学习的过程中既增加课本知识又锻炼了实践能力。所以在材料专业的实验教学中应该增加一些材料制备技术的教学实验，例如使学生利用机械合金化工艺球磨得到新型金属合金粉末材料，并研究机械合金化工艺球磨过程对金属合金粉末的物相组成和显微结构的变化，使学生通过实验课程对材料的制备和检测方法有了较深的认识，从而为材料科学与工程专业课程的学习打下了坚实的基础。
三、机械合金化技术在材料科学中的发展趋势与应用
机械合金化技术由于制备工艺简单，成本较低，材料合成温度较低，所以被广泛地应用到材料的合成与制备中。利用机械合金化技术可以开发新型的金属合金材料以及复合材料等。采用机械合金化技术可以开发出很多种类型的金属合金粉末，也可以开发金属基复合材料等，而且现在有越来越多的研究者从事机械合金化工艺制备金属合金材料和金属基复合材料以及功能材料的研究和开发，所研究和开发的材料种类也逐渐增多，应用范围也越来越广泛。机械合金化技术在材料科学与工程教学与实践中也得到广泛的推广和应用，已经成为材料科学与工程专业实践教学课程必须进行的实验内容。所以本文作者认为应该在材料科学专业的教学实践中增加机械合金化技术的实验课程，使得学生通过课程学习和实践学习来加深材料科学与工程专业课程知识和内容的认识和掌握。
综上所述，本文首先介绍机械合金化技术的概念和技术原理，讲述机械合金化技术在材料科学与工程中的应用，并结合材料科学与工程专业课程教学研究和探讨了机械合金化技术在材料科学与工程专业的教学实践中的研究和应用。采用机械合金化技术可以制备多种材料，这为材料科学与工程专业实验课程的教学实践提供了丰富的教学内容，可以在材料科学与工程专业的实验课程中开设一些关于机械合金化工艺制备新型金属合金材料的实验课程。
参考文献
[1]李青虹，晋芳伟，机械专业实验课程教学改革的研究[J].机电技术，2011（1）：149—151
[2]刘宏达，马忠丽.高校实验课程教学质量评价体系的构建[J].中国现代教育装备，2009（3）：60-63
[3]罗乐，张春早，黄英等.加强实验课程教学质量管理的探索[J].合肥工业大学学报（社会科学版），2005，19（1）：16-18
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、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料，特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力，直接体现国家的科学技术水平和经济实力，也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此，新材料的开发与研究是材料科学发展的先导，是21世纪高科技领域的基石。
近年来，材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因，一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1 FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2， 其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差，传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料，如金属基陶瓷涂层材料，由于各相的热胀系数和热应力的差别较大，很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面，消除物理性能的突变，使热应力降至最小[3]。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2 FGM的特性和分类
2.1 FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2，因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料，可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
2.2 FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3 FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM 研究的不断深入，人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化，可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM，并可望应用于许多领域。
功 能
应 用 领 域 材 料 组 合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材 陶瓷 金属
陶瓷 金属
塑料 金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石 金属
碳纤维 金属 塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料 轻元素 高强度材料
耐热材料 遮避材料
耐热材料 遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学 磷灰石 氧化铝
磷灰石 金属
磷灰石 塑料
异种塑料
硅芯片 塑料
电磁功能
电磁功能 陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板 压电陶瓷 塑料
压电陶瓷 塑料
硅 化合物半导体
多层磁性薄膜
金属 铁磁体
金属 铁磁体
金属 陶瓷
金属 超导陶瓷
塑料 导电性材料
陶瓷 陶瓷
光学功能 防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光 透明材料 玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素 玻璃
能源转化功能
MHD 发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池 陶瓷 高熔点金属
金属 陶瓷
金属 硅化物
陶瓷 固体电解质
金属 陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4 FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。
4. 1 FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件，然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构，以及制备和评价方法，最后基于上述结构和材料组合选择，根据假定的组成成份分布函数，计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数，就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布，此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状，热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法，包括有限元方法计算FGM的应力分布，采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合，借助于计算机辅助设计系统，得出最优的设计方案。
4. 2 FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段，实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布，从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高温合成法(SHS) ;涂层法:如等离子喷涂法，激光熔覆法，电沉积法，气相沉积包含物理气相沉积(PVD) 和化学相沉积(CVD) ;形变与马氏体相变[10、14]。
4. 2. 1 粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形，然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性，可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高，适用于制造形状比较简单的FGM部件，但工艺比较复杂，制备的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点，但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。
4. 2. 2 自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 简称SHS或Combustion Synthesis)
SHS 法是前苏联科学家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃烧反应时，发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应，此后化学反应在自身放热的支持下，自动持续地蔓延下去， 利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
SHS 法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系，金属与陶瓷的发热量差异大，烧结程度不同，较难控制，因而影响材料的致密度，孔隙率较大，机械强度较低。目前利用SHS 法己制备出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4. 2. 3 喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺，适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常，将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内，并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上，其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4. 2. 3. 1 等离子喷涂法(PS)
PS 法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物，形成等离子体，其温度高达1 500 K，同时处于高度压缩状态，所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流，速度可高达1. 5 km/ s。原料粉末送至等离子射流中，粉末颗粒被加热熔化，有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应，随后被雾化成细小的熔滴，喷射在基底上，快速冷却固结，形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例，调节等离子射流的温度及流速，即可调整成分与组织，获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成，沉积效率高，无需烧结，不受基体面积大小的限制，比较容易得到大面积的块材[10]，但梯度涂层与基体间的结合强度不高，并存在涂层组织不均匀，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出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
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末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，便会产生用B合金化的A薄涂层，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比，在上述覆层熔覆的同时注入，在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程，就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度，以及熔区的深度来获得，熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能，但由于激光温度过高，涂层表面有时会出现裂纹或孔洞，并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。
4.2.3.3 热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化，并喷涂到基底上凝固，因此，建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中，这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固态，混入金属液滴而被涂覆在基底，形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中，通过连续地改变增强颗粒的馈送速率，热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4 电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理，将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中，通过注入另一相的悬浮液使之混合，并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度，在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃，涂层的主要材料为TiO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层，以改变固体材料的表面特性，提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能，该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低，精度易控制，生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5 气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度，在厚度方向上实现组分的梯度化，适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制备出大厚度的梯度膜，与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD) 和化学气相沉积(CVD) 两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合，在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度，精确地控制材料的组成、结构和形态，并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化，可得到按设计要求的FGM。另外，该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM，因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质，使其蒸发为气相，然后沉积于基材上，形成约100μm 厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD 法的特点是沉积温度低，对基体热影响小，但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]
4. 2. 4 形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化，马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此，在合适的温度范围内，可以通过施加应变(或等价应力) 梯度，在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18 -8 不锈钢(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围，但能提供一个简单的方法，可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料，这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4. 3 FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计，为成分设计数据库提供实验数据，目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前，对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前，日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5 FGM的研究发展方向
5.1 存在的问题
作为一种新型功能材料，梯度功能材料范围广泛，性能特殊，用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决，主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单，还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2 FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3 对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随 时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6 结束语
FGM 的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉，多产业结合，国际化合作的方向发展。
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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、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。
近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3],如图1所示。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分类
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
图2
2.2FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。FGM的应用[8]见图3。
图3FGM的应用
功能
应用领域材料组合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材陶瓷金属
陶瓷金属
塑料金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石金属
碳纤维金属塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料轻元素高强度材料
耐热材料遮避材料
耐热材料遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学磷灰石氧化铝
磷灰石金属
磷灰石塑料
异种塑料
硅芯片塑料
电磁功能
电磁功能陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板压电陶瓷塑料
压电陶瓷塑料
硅化合物半导体
多层磁性薄膜
金属铁磁体
金属铁磁体
金属陶瓷
金属超导陶瓷
塑料导电性材料
陶瓷陶瓷
光学功能防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素玻璃
能源转化功能
MHD发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池陶瓷高熔点金属
金属陶瓷
金属硅化物
陶瓷固体电解质
金属陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。FGM的研究开发体系如图4所示[8]。
设计设计
图4FGM研究开发体系
4.1FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。
4.2FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
图6SHS反应过程示意图
SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等离子喷涂法(PS)
PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出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
图7PS方法制备FGM涂层示意图[17]（a）单枪喷涂（b）双枪喷涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末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,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
图8同步注粉式激光表面熔覆处理示意图[18]
4.2.3.3热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4.3FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5FGM的研究发展方向
5.1存在的问题
作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6结束语
FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。
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中图分类号：S220.6
1.绿色制造概述
1.1概念
绿色制造.又被称为环境意识制造或面向环境的制造，是一个系统地考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。绿色制造的目标是使得产品从设计、制造、包装、运输.使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面影响最小.资源效率最高.并使企业经济效益和社会效益协调优化。这里的环境包含了自然生态环境.社会系统和人类健康等因素。
1.2绿色制造的结构体系
绿色制造的核心内容是产品制造过程中，使用绿色材料和清洁能源，通过绿色设计.生产绿色产品.最终建立具有可持续性的产品生产和消费模式。绿色制造主要由三大部分组成：绿色设计.清洁生产和绿色再制造。
2.绿色机械制造工艺的类型
2.1节约资源的工艺技术
原材料（尤其是一些不可再生的金属材料）的大量消耗.将不利于全社会的可持续发展.因此.机械工业应积极推广资源消耗少的绿色工艺技术，通常可采取以下绿色工艺技术。
2.1.1绿色材料
绿色设计与制造所选择的材料既要有良好的使用性能.又要与环境有较好的协调性。为此，可改善机电产品的功能.简化结构.减少所用材料的种类：选用易加工的材料、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少无切削技术
随着新技术、新工艺的发展，精铸、精锻、摆辗等成型技术和工程塑料在机械制造中的应用日趋成熟，从近似成型向净成型方向发展。有些成型件不需要机械加工，就可直接使用.不仅可以节约传统毛坯制造时的能耗、物耗，也大大减少了产品的制造周期和生产费用。
2.1.3节水制造技术
水这种宝贵的资源在机械制造中起着重要的作用。但由于我国北方缺水，从绿色可持续发展的角度，应积极探讨节水制造的新工艺。
2.1.4新型刀具材料
减少刀具材料消耗，尤其是复杂、贵重刀具材料的磨耗是降低物料消耗的另一重要途径，对此可采用新型刀具材料，发展涂层刀具。
2.1.5回收利用
绿色设计与制造，非常看重机械产品废弃后的回收利用，它使传统的物料运行模式从开环式变为部分闭环式。产品生产厂家对回收可再利用的元器件，进行选择、回收和再利用等处理。
2.2节省能源的工艺技术
加工过程中要消耗大量的能量，这些能量一部分转化为有用功，而大部分则转化为其他能量形式而消耗掉。消耗掉的能量总是伴随着各种各样的有害损失。目前，可采取以下绿色技术。
技术节能。加强技术改造，提高能源利用率，如采用节能型电机，淘汰能耗大的老式设备。
工艺节能。改变原来能耗大的机械加工工艺，采用先进的节能新工艺和绿色新工装。
管理节能。加强能源管理，及时调整设备负荷，消除滴、漏、跑、冒等浪费现象，避免设备空车运转等。
适度利用新能源。可再生利用，无污染的新能源是能源发展的一个重要方向。
绿色设备和制造装备将向着低能耗，与环境相协调的绿色设备方向发展。现在已出现了干式切削加工机床、强冷风磨削机床等。绿色化设备减少了机床材料的用量，优化了机床结构，提高了机床能效，不使用对人和生产环境有害的工作介质。
2.3环保型工艺技术
生产过程是一个输入输出系统，当系统输入所要求的要素时，系统输出除最终产品外，还会输出对环境、操作者等有影响或危害的物质，如废液、废气、废渣、噪声等。环保型工艺技术就是通过一定的工艺手段，使其尽可能减少或完全消除，提高系统运行效率。可从以下方面考虑：
2.3.1减少大气污染
2.3.2减少水污染
2.3.3减少其他污染
3.绿色制造工艺的开发策略
由于切削和磨削是目前获得零件尺寸和形状的主要手段，其主要优点是可以得到极高的尺寸和形状精度，以及很小的表面粗糙度，其主要缺点是浪费原材料，加工效率低，对零件的表面材料性质有一定影响，且能耗大，切（磨）屑难于处理，即使能处理，其处理成本也很高，对环境又有污染（切、磨削液的用于排放、加工中挥发的烟雾等）。因此，对绿色机械加工工艺（干式切削、干式磨削等）的研究既具有理论意义，又具有广泛的实际意义。
3.1采用电子技术改造旧机床
旧机床改造的主要目的是：提高机床的加工精度和效率，减轻操作劳动强度、扩大机床的功能，提高自动化程度和工作可靠性等。通常采用的电子技术有：数显技术.可编程序控制器（PLC）技术，数据技术，变领调速技术等。
3.2干切削技术
材料切削是常规的机械制造工艺，通常是有切削液条件下的湿切削。实践证明，使用和清除切削液的费用已明显高于刀具的费用，此外还有切削液的环境污染问题干切削技术在不使用切削液的条件下进行。切削液传统的排屑、冷却、作用己逐渐由刀具设计与制造及其它方法所代替。
3.3冷辗扩技术
最初的冷辗扩技术只能做到辗扩和成型，达不到精度要求。随着数控和比例技术的发展以及材料性能的改进，冷辗扩工艺得到了重视和发展。
80年代末出现了一种新的机型。其工作原理是一个用于生产外轮廓的驱动的外模具（辗压轮）和――个用于生产内轮廓的被动的内模具（芯轴）在滑座的运动下由支撑轮挤压在一起。套圈壁受辗压而局部开始向径向和切向滚动，并最终在整个直径上变薄，使得套圈扩径并成型。与传统方法相比，这一方案不采用压力控制，而是通过计算机数控根据轮廓，材料和直径来控制壁由厚变薄。这一改进不仅扩大了应用范围，更提高了加工精度。套圈的圆柱度由原来的0.5毫米缩小到0.04毫米.直径公差过去为0.2毫米.现在小于0.08毫米。可以说，冷辗扩工艺步骤少.节约原材料。
4.金属粉末注射成型工艺
金属粉末注射成型（MIM―――MetalPowderInjectionMoulding）是传统粉末冶金工艺与塑料成型工艺结合的新型工艺。该工艺的基本过程是：金属粉末与有机粘结剂均匀混合成具有流变性的膏状混合物，然后在注射机上注射成型。得到的成型毛坯经过脱除粘结剂和烧结，烧结后的零件进行磨光和表面硬化处理。该工艺不仅具有工序少，无切削或少切削、经济效益高等优点，而且克服了传统粉末冶金工艺材料密度低、材质不均匀、机械性能低、薄壁不易成型和结构件复杂的缺点。适合于注射成型的材料非常广泛，如碳钢、合金钢、工具钢、不锈钢、难熔合金、硬质合金、碳化硅、高比重合金、高温合金等。还可根据用户的要求进行材料配方研究，制造任意组分的合金材料。
【参考文献】：
【1】王江慧.绿色制造技术在机械加工中的应用【J】.硅谷，2009，（05）
中图分类号：G642.0 文献标志码：A ？摇文章编号：1674-9324（2013）41-0107-02
《材料热力学》是材料科学与工程专业的专业基础课，是一门理论性和应用性较强的课程。通过《材料热力学》课程的学习，学生能够掌握《材料热力学》的基本概念和理论，并利用《材料热力学》进行相变、表面和界面等的分析和研究。然而《材料热力学》具有概念多而易混淆、公式多而难记忆以及内容抽象难懂等特点，学生系统掌握该课程的内容比较困难，本文尝试对教学内容和教学方法等方面进行探索，以提高《材料热力学》课程的教学效果。
一、教学内容与实践相结合
1.突出应用目的。本科《材料热力学》教学重点在于热力学基本原理及其在相平衡、表面和界面等领域的应用。由于学生在学习材料热力学之前，已经学习过物理化学等课程，因此讲授《材料热力学》时，应将重点放在运用热力学基本原理解决材料科学中的问题这一方面。在热力学基本原理这部分内容的讲授中，为了理论体系的完整性，我一般会对重要的定理和公式进行简单地推导，使同学掌握基本原理的来龙去脉，而对于其他的定理和公式，我一般简单分析一下它们的内涵和适用范围，不做详细的推导。我把热力学原理在材料科学中的应用作为我的讲课重点。我使用江伯鸿编写的《材料热力学》这本教材中有很多例题，但是我重点挑选与相变有关的典型例题来讲解，比如：选择熔化和凝固过程的热量计算以说明热力学第一定律在计算相变热效应的应用，选择熔化和凝固过程的熵变或自由能变化计算以说明热力学第二定律在判断相变方向的应用等，以突出《材料热力学》课程以热力学基本原理解决材料科学问题的讲课重点。
2.增加科研和生产方面的内容。笔者经过几年的材料热力学的教学实践，总结出：在教学过程中教师必须将科研和工程案例与教学内容相结合，这样不仅让学生在科研和工程案例中理解材料热力学的基本概念和原理，同时了解理论对实践的重要指导作用，激发学生的学习兴趣。我们学院的一些学生承担本校激光研究所钛基激光熔覆层方面的大学生创新项目，我在讲解自由能判据这部分内容时会引入这方面的实例，比如：为什么添加B4C的镍粉在高能激光照射下会在钛基体中形成TiB和TiC增强相。我的一个科研项目是有关碳纤维/铜基滑动轴承材料粉末冶金制备工艺的，我将这部分科研内容引入到表面和界面这一章中，向同学们讲授为什么粉末冶金法制备碳纤维/铜基复合涂层时要使用表面预镀铜的碳纤维为原料。我还经常将企业的生产内容融入到《材料热力学》的教学中，比如我将人造金刚石的生产过程引入到封闭体系的热力学基本方程这一章的教学中，以说明公式（？坠G/？坠T）P=-S和（？坠G/？坠P）T=V的应用；我还将氧化锆生产过程中氯化铵废水的处理和循环使用这部分内容引入到渗透压的教学内容中，说明如何根据氯化铵废水中离子的浓度计算出渗透压，进而为反渗透设备中泵的选型提供依据。
3.增加实验教学的内容。实验教学是高等学校教学中的重要内容，具有直观性、实践性和客观性的特点。以实验作为主要手段进行的教学活动，可以揭示自然科学现象、验证科学规律、探索未知、发展科学，更为重要的是在实验中能够培养学生务实求真的科学态度。我使用江伯鸿编写的《材料热力学》这本教材中没有实验教学方面的内容，为了弥补这一缺陷，我增加了“差示扫描量热法测量材料的比热容”和“计算机在相图计算中的应用”等实验内容。《材料热力学》的实验教学应达到以下目标：①帮助学生掌握《材料热力学》的基本原理；②让学生初步了解科学研究的方法；③培养学生自主解决问题的能力。因此在实验教学过程中，①强调实验课前的预习，要求学生根据实验指导书写出预习报告；②实验过程中的检查学生操作情况，要求学生独立操作，如实记录实验数据；③教师课后批阅实验报告，鼓励学生在实验过程中发现问题、提出问题和解决问题。
二、改进教学方法
1.讨论式教学。我会结合刚讲授过《材料热力学》知识，设计一些与科研和工程密切相关的问题，让学生以小组的形式相互讨论共同完成。在下次上课时，我会让某个或某几个小组推举同学上台讲解，其他同学提问，最后老师点评和总结，以培养学生自主解决问题能力。
2.多媒体教学。笔者在讲授《材料热力学》时，通常采用板书的形式，因为我觉得板书能将公式的推导和例题的计算一步一步清晰地展现出来，让同学们能清楚地了解老师的解题思路。采用多媒体教学能提供形象、生动、直观的画面和视频，增加信息量，节约教师板书和画图的时间，提高讲课效率，我曾经尝试过使用多媒体来展示解题过程，但效果并不理想。近年来，我倾向于以板书为主，多媒体为辅的教学方法。我一般将课堂要讲述的主干内容用板书简单、扼要、清晰地列在黑板上，使同学跟上老师的讲课思路，对于一些抽象难懂的概念，我经常找一些图片和视频，使讲授的知识更直观、形象和生动。
三、改进考试方法
考试是知识水平的鉴定方法，大学阶段的考试成绩与学生评优、毕业甚至就业直接相关，学生的学习过程大多围绕考试这根指挥棒转，因此如何用好考试这根指挥棒，对提高教学效果至关重要。我倾向《材料热力学》采用开卷考试的考核方式，在试题的设计上，避免出一些填空和名词解释等一些死记硬背的题目，而出一些判断题和选择题等灵活运用热力学基本原理解决问题的题目，问答题和计算题都是与材料科学具体问题相关联的，必须掌握热力学基本原理及其实际应用才能正确解答。我希望通过这种考核方式，改变学生在应试教育下形成的学习方式，明确学习目的，提高自身运用知识解决实际问题的能力，养成独立思考的习惯。
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一、绿色制造的基本概念
1、绿色制造的基本定义
绿色制造也可以叫做清洁制造、无浪费制造和环境意识制造等环保名称。首先，我们来了解下制造业的概念。所谓的制造业是指将可用资源 （包括能源）通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工业产品或生活消费品的产业。很多行业都涉及到了制造业，例如：电子行业、造纸行业、化工行业、机械行业、航天行业等很多行业都涉及到了制造业，因此制造业已经成为了我国国民经济的支柱行业。那么，绿色制造的则是一个系统地考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。绿色制造是指在资源制造过程中全面考虑环境和资源的因素，尽可能的做到对环境的污染最小，对资源的消耗量也最小，以此来做到企业经济效益和社会的效益同时优化的一种现代制造模式。资源制造过程是指毛坯制造、材料选择、原料冶炼、设计、生产、包装、使用完后的维修和报废这整个资源制造的过程。
2、关于绿色制造理念的基本内容
绿色制造理念的核心是在产品制造的过程中，使用绿色的材料以及清洁能源，通过运用绿色制造的理念来设计产品，以此来建立一个可持续性的产品生产和产品消费的模式，总的来说，绿色设计，清洁生产，绿色再制造是绿色制造理念的组成内容。因此，在制造的过程中，要求考虑到产品制造对环境的影响，尽可能的做到资源利用率最高的同时也要尽可能的减小对环境的负面影响。
二、基于绿色制造理念的机械制造工艺
基于绿色制造理念的机械制造工艺的基本内容包括以下几点：机械材料的选择、机械产品的绿色设计的建模、机械产品的可回收性和可拆卸性、机械产品的成本设计。基于绿色制造理念的机械制造工艺根据其的比基本内容，可以将绿色制造理念下的机械制造工艺技术可以分为以下几点：
1、 节约能源的机械制造工艺
绿色制造理念为针对这些能量的损失，提供了以下几项绿色的技术措施：
①工艺节能技术。工艺节能技术是指改变原来的耗能大的机械工艺中加工的技术，采用科学、先进的工艺节能技术以及绿色新工装。
②适当的利用新能源。适当的利用新能源是指可再生的资源和污染的资源。
③管理节能技术。管理节能技术是指对能源的管理进一步的加强，避免设备空车运转和能源浪费的现象。
④低能耗的工艺技术。在机械制造的过程中将绿色设备和制造装备都进尽可能的向着低能耗的方向运用。其实在我国已经出现了这种低能耗的绿色设备，绿色设备在机床中的运用可以提高机床的能效和优化机床的结构。例如：强冷风磨削机床和干式切削加工机床。
⑤技术节能。技术节能是指加强技术的改造，并且提高能源的利用率。
2、环保型的机械制造工艺技术
环保型的机械制造工艺是指通过一定的工艺技术使得一些对环境或者人类有影响和危害的物质，例如：废气、噪声、废液等，将这些有害的物质尽可能的减少或者完全消除，以此来提高系统的运行效率。当然，在工艺设计的时候就该全面的考虑环保因素，提前积极的做好预防污染的产生，这样才能更加有效的实施环保型的机械制造工艺技术。那么，在全面考虑环保因素的时候，可以从以下几个方面来考虑：①减少水的污染，②减少大气的污染，③减少环境的污染。
3、节约资源型的机械制造工艺技术
节约资源型的机械制造工艺技术是指在生产过程中简化工艺系统组成、节省原材料消耗的工艺技术。例如：通过提高刀具的寿命，选择新型的刀具材料，以此来降低刀具的组成材料的消耗。再如：通过优化毛坯的形状，减少机械加工的余量，做到减低原材料的消耗。要实施节约资源型的机械制造工艺技术应从两方面来实施，这两方面分别是：设计、工艺。从设计的方面来说，可以通过对零件数量的减少和零件重量的减轻，以此来采用优化的设计技术，使得原材料的利用率提高。从工艺的方面来说，可以通过对毛坯的制造技术、下科技术的优化，以及利用干式加工技术和、少无切削加工技术、绿色切削加工技术等新型的机械加工技术来减少材料的消耗度。
三、基于绿色制造理念的机械制造工艺技术的策略
随着我国新技术和新工艺的发展，精密铸造、冷按压、直接沉积等成型技术和工程塑料在机械制造中的应用日益成熟，从接近零件形状向精密成形、仿形方向发展。那么，基于绿色制造理念的机械制造工艺技术的策略可以分为以下几点：
①干切削技术。总所周知，材料切削是一种常规的机械制造工艺，一般都是在有切削液的条件下的湿切削。可是这种湿切削技术会有环境污染的问题，而且费用还要高于刀具的费用，这不符合绿色制造的理念，因此，倡议使用干切削技术来实施机械制造。
②冷辗扩技术。随着数控和比例技术的发展和进步，冷辗扩技术由原先只能做到辗扩和成型技术的，发展到了达到高精度要求的冷辗扩技术。
为了正确选择加工方法，应了解各种加工方法的特点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实际尺寸、形状、位置三种几何参数与图纸要求的理想几何参数的符合程度。在加工过程中，影响精度的因素很多。每种加工方法在不同的工作条件下，所能达到的精度会有所不同。例如精细地操作，选择较小的切削量，就能得到较高的精度。也可以
2.选择加工方法是需要考虑的因素
1）工件材料。依据材料性质决定加工方法。例如，有色金属的精加工不能使用磨削以免堵塞砂轮，而要用高速精细车或精细镗；淬火钢的精加工则要使用磨削等等。
2）工件的形状和尺寸。例如，对于公差为IT7的孔采用铰、拉、镗、磨等都可以实现，但是箱体上的孔一般不采用拉或磨，而是常常选择镗孔（大孔）或铰孔（小孔）。
3）生产类型及生产率问题。选择加工方法要与生产类型相适应。大批量生产应选生产率高和质量稳定的加工方法。例如，大批量生产时选用精密毛坯，如用粉末冶金制造液压泵齿轮，精锻锥齿轮，精铸中小零件等，可简化机械加工，在毛坯制造后直接进入磨削加工。
4）充分考虑利用新工艺、新技术的可能性提供工艺水平。
5）特殊要求。如表面纹路方向的要求，铰削和镗削孔的纹路方向与拉削的纹路方向不同等，应根据设计的特殊要求选择相应的加工方法。
二、加工顺序的安排
机械加工工艺路线一般要经过切削加工、热处理和辅助工序。因此，在拟定工艺路线时，要充分全面把握切削加工、热处理和辅助工序的关系。
切削加工的工序安排原则
先加工基准面
定为精基准的表面应安排在起始工序先进行加工，以便为后续工序的加工提供精基准。
划分加工阶段
工件的加工质量要求较高时，都应划分阶段。一般可分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。加工精度和表面质量要求特别高时，还要增设光整加工和超精密加工阶段。
先面后孔
对于箱体、支架和连杆等工件，应先加工平面后加工孔。这是因为平面的轮廓平整，安防和定位比较稳定可靠，先加工好平面，就可以以平面定位加工孔，保证平面和孔的位置精度。此外，由于平面先加工好，也给平面上的孔加工也带来方便，是刀具的初始切削条件得到改善。
次要表面可穿插在工阶段间进行加工
次要表面一般加工量都较少，加工比较方便。且能有效间隔各加工阶段，消除工件因残余应力的重新分布而变形的影响，在后续工序能有效纠正其变形。
热处理工序的安排
热处理工序是用于提高材料的力学性能、改善金属的加工性能以及消除残余应力。制定工艺路线时，应根据设计和工艺要求全面考虑。
预备热处理
预备热处理的目的是改善加工性能，为最终热处理做好准备和消除残余应力，如正火、退火和时效处理等。它应安排在粗加工前、后和需要消除应力处。放在粗加工前，可改善粗加工时材料的加工性能，并可减少工件更换加工车间的运输量；放在粗加工后，有利于粗加工后参与应力的消除。调质处理能得到组织均匀细致的回火索氏体，有时可作为预备热处理，安排在粗加工后。精度要求较高的精密丝杆和主轴等工件，常常安排多次时效处理，以消除残余应力，减少变形。
最终热处理
二.培养标准1
2.1具备从事工程开发和设计的科学知识1
2.2具备从事工程开发和设计的专门工程技术知识2
2.3具备分析解决工程问题和参与项目管理的能力3
2.4掌握必要的人文社会科学知识4
2.5具备良好的交流沟通能力及团队合作能力4
2.6具备良好的职业道德和社会责任感5
三.知识能力体系及实现矩阵6
机械工程及自动化专业"卓越工程师"培养方案12
一.基本能力要求12
二.培养方式13
三.课程设置基本框架及说明14
3.1.课程设置基本框架14
3.2.课程设置框架说明15
四.课程体系及课程设置18
4.1.课程体系18
4.2.理论类课程设置18
4.3.实践类课程设置21
机械工程及自动化专业"卓越工程师"企业培养方案23
一.培养目标23
二.培养标准24
三.管理模式24
四.培养计划26
4.1实践教学计划26
4.2.企业联合培养环节课程内容介绍27
五.企业实习基地29
六.教师队伍建设30
6.1.校内专业教师任用标准及培养30
6.2.企业教师任用标准及分类30
6.3.企业教师聘用31
附件-企业实践内容相关文档模板32
机械工程及自动化专业卓越工程师培养计划专业认知实习报告32
机械工程及自动化专业卓越工程师培养计划专业认知实习指导教师总结33
机械工程及自动化专业卓越工程师培养计划企业工程实践管理规定34
机械工程及自动化专业卓越工程师培养计划企业工程实践教学任务书35
机械工程及自动化专业卓越工程师培养计划企业工程实践项目进度计划表36
机械工程及自动化专业卓越工程师培养计划企业工程实践项目文档37
机械工程及自动化专业卓越工程师培养计划企业工程实践报告39
机械工程及自动化专业"卓越工程师" 培养标准
北京邮电大学"卓越工程师培养计划"中机械工程及自动化专业培养方案着眼于未来发展的需求,紧密追踪前沿依托国家重点学科,重点实验室具有扎实的工程基础精通工程制图,工程材料,产品设计,制造工艺等工程设计类技能同时兼具较强的分析综合能力动手操作能力,具备独立思考意识开拓创新精神,始终保持学习的姿态和存疑的态度,具有缜密的思维和严谨的作风协作互助的团队意识适应我国信息产业发展对机电复合型具备从事工程开发和设计的知识具备从事工程开发和设计的知识电工电子基础熟练掌握工程制图标准和表示方法掌握公差配合的选用和标注..掌握机械产品设计的基本知识与技能,能熟练进行零,部件的设计.熟悉机械产品的设计和基本技术要素,能用计算机进行零件的辅助设计,熟悉实用设计方法,了解现代设计方法.和技术要素掌握制订工艺过程的基本知识与技能,能熟练制订典型零件的加工工艺过程,并能分析解决现场出现的一般工艺问题.熟悉铸造,压力加工,焊接,切(磨)削加工,特种加工,装配等机械制造工艺的基本技术内容,方法和特点.熟悉工艺方案和工艺装备的设计知识了解生产线设计和车间平面布置原则和知识.气,液传动原理及系统设计(气动系统基本管路设计液压系统基本管路设计)电气传动机械制造自动化刚性自动化加工设备(普通的自动化机床组合机床刚性自动线)柔性自动化加工设备(数控机床加工中心)1o'P)s,@*V#~6|0_+o.S/b3z掌握物流自动化设备分类(上,下料/装卸自动化设备传输/搬运自动化设备)2@fr8W4n:K.J#H机械设计,机械加工,设计软件,机械工程师,设备管理,焊接,液压,铸造,密封,测量,工程机械,粉末冶金,轴承,齿轮,泵阀,工业自动化信息流自动化邮件内部处理自动化搬运装卸机械化,信息传输网络化,营业窗口电子化邮政自动化,邮政计算机网等具备分析解决工程问题用科学方法,使用现有的技术,工具技术,设计,开发,生产工艺,设备操作或维修领域的问题.参与评价,具有判断力和创意,提出专业的独立技术见解外语应用能力熟悉与职业相关的安全法规,熟悉经济和管理的基础知识.了解管理创新的理念及应用.熟悉质量管理和质量保证体系,掌握过程控制的基本工具与方法,了解有关质量检测技术. 三.知识能力体系及实现矩阵
知识与
能力要求实现环节1机械工程及自动化专业工程师知识体系1.1掌握必要的人文社会科学知识1.1.1具有良好的思想品德,社会公德,职业道德和强烈的社会责任感,使学生能正确认识工程领域对于客观世界和社会的重要作用,理解工程专业及其服务于社会,职业和环境的责任.
1.1.2具备工程相关的经济,管理,社会学,情报交流等人文知识,
1.1.3具备工程相关的环境保护,可持续发展方针,政策和法律法规知识.
思想政治,社会科学,人文科学与艺术,经济与管理,自然科学类,实践环节等1.2掌握系统的工程科学基础知识1.2.1具备从事工程开发和设计所需的数理知识,
1.2.2了解工程学基本理论,建立工程和工程系统的概念,掌握工程研究的思路和方法,形成对科学研究的初步认识和综合性的思维基础.
数学类,物理类,机械工程及自动化导论,工程训练,实验环节等1.3掌握扎实的工程领域基本技能1.3.1熟练掌握一门外语,可运用其进行专业技术交流,开拓国际视野,
1.3.2熟悉计算机应用的基本知识,了解常用计算机软件的特点及应用,具备熟练应用计算机解决工程问题的基本知识和技能,
1.3.3熟练掌握科技文献检索与工程实践,科学研究的基本方法.
1.3.4通过工程训练实习了解机械制造的一般过程,基本方法和技能.外语类,计算机类,科技文献检索,工程训练,电动自行车拆装及其它技能类,实验环节等1.4掌握坚实的大类专业基础知识1.4.1熟练掌握理论力学,电工电子基础熟练掌握工程制图标准和表示方法掌握公差配合的选用和标注..1机械工程及自动化专业工程师知识体系1.5掌握机电专业的专业基础知识1.5.1掌握机械产品设计的基本知识与技能,能熟练进行零,部件的设计.熟悉机械产品的设计程序和基本技术要素,能用计算机进行零件的辅助设计,熟悉实用设计方法,了解现代设计方法.掌握制订工艺过程的基本知识与技能,能熟练制订典型零件的加工工艺过程,并能分析解决现场出现的一般工艺问题.熟悉铸造,压力加工,焊接,切(磨)削加工,特种加工,装配等机械制造工艺的基本技术内容,方法和特点并掌握某些重点.熟悉工艺方案和工艺装备的设计知识.了解生产线设计和车间平面布置原则和知识.气,液传动原理及系统设计(气动系统基本管路设计液压系统基本管路设计)电气传动1机械工程及自动化专业工程师知识体系1.6掌握机械系统理论1.6.1掌握机械制造自动化刚性自动化加工设备(普通的自动化机床组合机床刚性自动线)柔性自动化加工设备(数控机床加工中心)1o'P)s,@*V#~6|0_+o.S/b3z掌握物流自动化设备分类(上,下料/装卸自动化设备传输/搬运自动化设备)2@fr8W4n:K.J#H机械设计,机械加工,设计软件,机械工程师,设备管理,焊接,液压,铸造,密封,测量,工程机械,粉末冶金,轴承,齿轮,泵阀,工业自动化信息流自动化2机械工程及自动化专业工程师的能力素质要求2.1熟悉机械工程应用背景,具有较强的系统集成与工程应用的能力和独立分析解决工程实际问题的能力.2.1.1能够及时了解机械工程的需求变化以及技术发展趋势,提出改善机械产品,系统,服务效能的方案.
2.1.2能够用科学方法和观点,使用现有的技术,工具或新兴技术,设计,开发,生产,设备,工艺,操作或维修产品领域的问题.参与相关评价,具有判断力和创意,提出专业的独立技术见解2机械工程及自动化专业工程师的能力素质要求2.2具备综合运用经济,工程管理等知识和方法进行工程项目的组织管理能力.2.2.1掌握本专业领域相关的政策,法律和法规,在法律法规规定的范围内,能够按确定的质量标准,程序开展工作,
2.2.2能够使用合适的管理体系,制定工程项目的规划和预算,合理组织人力,资源和任务,有效协调项目相关各方的工作,提升项目组工作质量,
2.2.3具备应对工程项目实施过程中突发事件的能力和领导意识,并采取恰当的措施,确保项目或工程的顺利进行,
2.2.4能够进行可行性分析报告,项目任务书,投标书等工程文件的编纂,说明和阐释,并能够进行相关工程的评估,提出改进建议.专业实习
课程实习
学科竞赛
科研训练
大学生创新性实验计划项目
北京市及全国大学生机械创新设计大赛
选修《工程项目管理》《合同管理》《技术经济》2.3具备良好的交流沟通能力及团队合作能力
2.3.1能够使用专业工程技术语言,与现场工作人员下进行沟通与表达,并能从中汲取企业文化内涵,
2.3.2具备个人和社交的技巧,能够控制自我并了解,理解他人需求和意愿,
2.3.3具备较强的适应能力,自信,灵活地处理新的和不断变化的人际环境,能够很快地融入到企业的实习环境中,
2.3.4具备良好的团队合作精神与协调能力,具有在团队中敢于负责任,果断推动事情向前发展的领军魄力,
2.3.5具有国际视野和跨文化环境下外语应用能力2机械工程及自动化专业工程师的能力素质要求2.4具有较强的创新精神,信息获取,知识更新和终身学习的能力2.4.1能够跟踪本领域最新技术发展趋势,具备收集,分析,判断,选择国内外相关技术信息的能力,
2.4.2为保持和增强其职业能力,检查自身的发展需求,制定并实施自身职业发展计划.
2.4.3具有较强的能力.2.5具备良好的职业道德和社会责任感2.5.1熟悉本行业适用的主要职业健康安全,环保的法律法规,标准知识.
2.5.2熟悉企业员工应遵守的职业道德规范和相关法律知识.
2.5.3遵守所属职业体系的职业行为准则,并在法律和制度的框架下工作,
2.5.4具有良好的质量,安全,服务和环保意识,并承担有关健康,安全,福利等事务的责任,
2.5.5热爱所从事的工作,并遵守企业机密.专业实习
企业高管讲座
0 前言
核电站运行过程中，核燃料的裂变产物和吸收中子后形成的超铀元素，具有强放射性，存在潜在的危险。因此，在压水堆核电站的设计中采用了多道屏障的措施，以确保运行人员和周围居民的安全，并避免对环境的污染。
第一道屏障是核燃料本身：压水堆的核燃料是UO2芯块，其熔点超过2800℃，发生裂变后，绝大部分产物仍是固体，98%以上的放射性物质仍保留在其中。第二道屏障是核燃料包壳：UO2芯块密封在优质锆合金包壳管内组成核燃料单棒。确保将放射性物质包容在燃料包壳中。第三道屏障是压力边界：即使有少数燃料棒破损，泄漏的放射性物质仍停留在一回路压力边界内，不会排入环境。第四道屏障是安全壳：确保反应堆发生任何事故，一回路压力边界内泄漏出来的放射性物质能够被包容在安全壳内，不会逸出。由此可见，燃料芯块和燃料包壳作为核电站核安全的第一、二道屏障对核电站的安全运行起着十分重要的作用，然而燃料组件在堆芯运行过程中往往会因各种原因造成燃料棒包壳的破损。
曾经把压水堆燃料元件破损分为七类，而其中的三类（氢化、PCI、包壳坍塌）直接与二氧化铀燃料芯块的质量有关。为此英国核燃料有限公司（BNFL）提出了完美燃料芯块的概念，来确保芯块质量：
1）开口孔率最少，以减少水和气体的吸附，避免锆合金包壳管的氢脆；
2）尽量不使燃料芯块在堆内密实，以避免包壳坍塌和出现局部中子通量峰；
3）有足够的孔隙空间容纳基体肿胀，减小包壳变形；
4）尽量减少裂变气体释放，防止包壳内部超压。
可以看出，所有这些条件都与UO2芯块的微观结构有关。
1 二氧化铀芯块的制造工艺
1.1 二氧化铀粉末压制成型
UO2粉末都要经过压制成型，才能制成满足燃料元件要求的芯块。压制成型工艺的目的是将松散的粉末压制成具有一定形状、尺寸、密度和强度的坯块，它的形状和尺寸应使其在烧结以后，与所要求的芯块的最终形状和尺寸接近，它的密度应达到可以使坯块容易烧结，坯块强度也应保证在随后的运送和操作中不致损坏。
图1 示出了 UO2粉末在自动压机上冷压成型的步骤：装模、压制、脱模、推走坯块和重新装模。一定重量或一定体积的 UO2粉末装入膜腔，压机通过冲头对粉末施加压力，粉末在外力作用下嵌镶、啮合、形成一定尺寸、形状、密度和强度的坯块，再从膜中取出坯块。
UO2粉末特性及压制条件对坯块质量有很大影响，包括密度分布，回弹量和强度。粉末压制过程中，因内、外摩擦力的影响会引起压制压力沿径向和轴向变化，造成坯块密度在轴向及径向分布不均匀，通常单向压制的坯块中，离施加压力的冲头越近的部位密度越高，远离的一端密度低；双向压制的坯块中，两端密度高，中间密度低。坯块的密度不均匀会造成烧结后芯块呈砂漏形或扭曲变形。为了提高坯块密度均匀性，一般从三个方面入手：（1）采用预压造粒来提高粉末的流动性，（2）粉末中添加剂、模具内壁涂剂、提高模具的硬度和表面光洁度来降低内外摩擦，（3）提高压坯载荷。而最重要的途径是提高粉末的流动性和降低粉末摩擦。
粉末颗粒在压制过程中产生弹性变形和塑性变形，在外力撤除后会一定程度的回弹量，坯块沿着轴向和径向膨胀。可在粉末中添加粘接剂和剂，使坯块强度增加，从而减小回弹量。前者随压制压力增加，弹性后效增加。后者在压制压力作用下，易产生粉碎性断裂，颗粒啮合和镶嵌，强度增大，随着压制压力增加，弹性后效减小。
坯块强度是坯块重要性能之一，坯块需经质量检查、运输和烧结等操作过程，必须具备一定的强度。粉末在压制过程中，粉末表面粗糙度愈高，压制后颗粒相互啮合就越紧，坯块强度愈高。
1.2 烧结
压制好的燃料坯块需经过烧结才能达到具有足够高的密度、强度、合适的气孔分布及晶粒度、小的吸湿性和正比化学计量，从而有良好的辐照稳定性、化学稳定性和高的热导率。坯块的烧结是在氢气氛下进行的，烧结工艺如图 2 所示，主要分为三个阶段。
第一阶段：发生在 750℃以下，主要是活性UO2粉末表面吸附的可挥发物质组分的清除和残留应力消除阶段。在这个温区内，水和吸附气体解析、挥发，过剩氧被还原成水蒸汽逸出，有机物经碳化后与氢气反应生成甲烷逸出，杂质氟也相继生成 HF 排出，改善颗粒间的接触，同时，坯块压制产生的残留应力逐渐松弛消除。
第二阶段：温度在 750～1300℃，UO2坯块明显收缩，小孔隙迅速消除，坯块密度和强度随温度增加而增大。
第三阶段：此阶段温度在 1300℃以上，直到 1700℃，烧结加快进行，坯块迅速收缩，颗粒接触面增大成界面，孔隙球化，晶粒长大，密度和强度增至最大。 影响 UO2高温烧结的因素有：
1）粉末性质：主要有颗粒尺寸、形状、孔隙度、比表面积、粉末密度、O/U等，其中比表面积是粉末活性的综合量度，在一定程度上反映出粉末的可烧结性。
2）压制参数：主要有粉末粘性、剂添加物及坯块密度，其中坯块密度反映出坯块中孔隙的大小和数目，孔隙收缩是烧结致密的重要结果。
3）烧结气氛：水冷堆用 UO2芯块中均在氢气中高温烧结，这样可有效去除超化学计量的过剩氧，使O/U接近2.00。
UO2烧结一般用连续式推舟高温炉中进行，烧结后的芯块的面形状、尺寸和表面质量等还不能达到组装燃料棒的要求，一般需要用无芯磨床进行磨削加工后才能使用。
二氧化铀芯块的制造对其热学、力学、化学性质以及堆内行为和裂变产物行为等有较大的影响，主要影响因素有：
1）烧结密度，以理论密度的百分数（%T・D）来表示；
2）孔隙率，包括开口孔率和闭口孔率；
3）孔隙结构；
4）晶粒结构。
2 二氧化铀芯块的微观结构对芯块质量影响的分析
二氧化铀核燃料芯块是由粉末经压坯、烧结而成，为多孔体，芯块密度和孔隙率、孔隙结构和晶粒结构等表征芯块微观结构特征的参数与其存在状态和制备条件密切相关。
2.1 芯块密度或孔隙率
二氧化铀芯块密度是其作为核燃料的重要技术指标。一般来说，反应堆的堆型不同，设计的燃料燃耗深度不一，对芯块密度的要求也不一样。从多一些裂变材料以提供更多的反应能考虑，希望密度高一些。但如果芯块密度越高，芯块孔隙率越低，则芯块产生的裂变产物无处容纳，从而使燃料基体肿胀，产生芯块和包壳之间相互作用的不利影响。一般芯块密度为95%T.D.左右。确定了芯块密度即可确定孔隙率，如芯块密度为95%T.D.，则孔隙率（孔隙率包括闭口孔率和开口孔率）为5%。
在燃料芯块制造过程中，主要通过二氧化铀粉末冶金过程、提高预压密度、烧结以及添加调节剂（如八氧化三铀）或有机造孔剂等手段调节芯块密度。
2.2 孔隙结构
孔隙结构包括孔隙形状、孔隙尺寸与分布。它是影响芯块堆内热稳定性的最重要的芯块特性。
在二氧化铀芯块烧结过程中会形成一些气孔，气孔中存在着H2、H2O、CO、CH4等烧结气氛的气体，在烧结温度下气体压力与气孔表面张力平衡。二氧化铀在烧结过程中将发生体积收缩、孔隙球化和晶粒长大三种基本变化，且这三种变化相伴而行。实际上，在绝大多数情况下，烧结孔隙率的变化是依靠开口孔或连通孔的变化进行的，在烧结过程中，这些孔隙的一部分被完全填满，另一部分孔隙则被转化成独立的或闭塞的孔隙。开口孔的烧结速率取决于空位迁移的驱动力、扩散的途径和扩散的距离。一般来说在任何烧结块中，当总孔隙率达到9%时，孔隙将会闭合。而大约在相对密度达到85%T.D.之前，坯块仍保持全部为开口孔；从这个密度之后继续烧结，孔隙开始闭合，而且随着烧结过程的进行，孔隙闭合急剧发生，大约在坯块相对密度为95%时，孔隙几乎完全闭合。
在堆内运行时由于芯块存在陡的温度梯度、很大的热应力以及裂变碎片产生的级联碰撞（包括离位峰、热峰、Frenkel空位―间隙原子对等），使气孔发生收缩，以保持气泡的热力学平衡。
当裂变碎片和放射性射线穿过气孔时，气体电离。重离子产生的离子对是密集的，且气体压力很高，这种离子对很容易复合，但离子也有到达气孔表面的概率。当H、O离子到达气孔表面时，很容易与二氧化铀中的氧、铀院子复合而扩散到芯块中去，造成气孔内气体减少，发生进一步收缩，直至最后湮灭。气孔越大离子达到气孔表面概率越小，同时裂变气体进入大气孔的概率增加，因而存在临界半径，小于临界半径的气孔是不稳定的，会发生湮灭。而大于临界半径的气孔，先是收缩，随后在裂变气体进入量的增加而长大，即UO2芯块在堆内辐照的运行初期，芯块中微小的孔隙重新分布和消失，造成辐照密实化，出现芯块体积缩小的现象。随着燃耗加深，芯块内裂变气体积累增多，引起芯块基体肿胀。这些辐照引起的尺寸不稳定性，影响到反应堆的运行安全性。
为避免芯块的辐照密实，在芯块制备过程中加入制孔剂（如八氧化三铀等），是芯块的气孔尺寸都大于1.5μm，就不会发生气孔的湮灭。虽然开始由于气孔的不平衡收缩，芯块有辐照密实现象，但气孔尺寸大不会发生气孔的湮灭，在经过短暂的收缩后很快就稳定下来，随着裂变气体扩散进气孔，又逐渐长大，并超过原来的尺寸，则导致芯块向辐照肿胀过程发展。
尽管行业内存在利用芯块在堆内肿胀和密实相互补偿的设想，但由于辐照初期、中期和末期肿胀和密实的情况往往是不一样的，故只能做最优化选择，最佳的芯块密度通常为95%T.D.左右，孔隙呈单峰型分布，平均孔径2～3μm（注：与标准燃料相比，高燃耗芯块的孔隙分布范围更加狭小，且峰值要高）。
2.3 晶粒结构
芯块的晶粒尺寸和分布是燃料棒设计的一项重要内容。辐照结果表明，大晶粒的二氧化铀芯块更抗密实化。且晶粒尺寸更重要的意义还在于它对裂变气体释放的影响：大晶粒芯块增加了辐照下裂变气体由晶粒内部到晶粒边界扩散的平均路程，延缓了它在晶体边界的析出，同时，随着晶粒的增大，单位晶界面积减少，从而降低了辐照下裂变气体的释放量，此外，适当增加芯块晶粒尺寸还可以提高芯块在辐照下的抗蠕变能力。这些都有力的支持了减轻芯块与包壳的相互作用（PCI）。
压水堆核电厂为了获得更高的经济效益，正在向延长循环长度和加深燃耗的方向发展。AP1000的电厂采用18个月或24个月的换料循环模式，平均卸料燃耗逼近60GW・d/tU。这种情况下大晶粒的二氧化铀芯块更表现出了极大地优点。
目前，公认的大晶粒芯块的制造方法主要有三种：制造高烧结活性的二氧化铀粉末、采用高温和长时间烧结工艺、在基体二氧化铀粉末中添加晶粒长大剂。
3 结论
芯块密度或孔隙率、孔隙结构和晶粒结构在内的这些表征芯块微观特征的结构形式，在很大程度上决定了芯块的堆内行为。因此，在制造过程中有效地控制这些结构特征，就可以满足反应堆对芯块的要求。同时，作为核电厂派驻燃料组件制造厂的制造质量监督人员应了解芯块微观结构对芯块质量的影响，加强对影响芯块密度或孔隙率、孔隙结构和晶粒结构的工艺的控制，确保在反应堆运行工况下有更高的可靠性，实现最低的燃料破损率。
【参考文献】
[1]陈宝山，刘承新.轻水堆燃料元件[M].
