梯度功能材料(FGM)是近十多年来陶瓷、金属材料领域研究的热点之一。 FGM，是指在材料设计制造过程中，使构成材料的要素沿着厚度方向由一侧到 另一侧呈梯度连续变化，内部没有明显的界面，并使材料的性能与功能呈现连续 梯度变化的一种新型材料，其优越的性能，已在航天、能源、电子、化学和生物 医学等工程领域展示了诱人的应用前景。 本文旨在通过不同性能、不同功能的组分的梯度复合，改善或提高水泥基材 料的物理力学性能及其功能，其主要工作与创新性研究有以下四个方面： 1、首次把FGM的概念引入到水泥基材料中，为水泥基材料的改性和用途的 拓宽提供了一条新的途径。利用组分梯度复合的方法，改善或解决了水泥基材料 的界面薄弱、功能单一、抗拉强度低、韧性差等问题，在较小内应力下实现了同 一材料(制品)上的复合功能。 2、建立了水泥基梯度复合功能材料四层次(连续相、分散相、浆体－骨料 界面区和宏观层状结构层间界面区)结构模型，为水泥基梯度材料的设计奠定 了结构基础。水泥基材料的多相多层次性，决定其不可能像金属、陶瓷材料那样 仅仅通过微观层次的复合来解决其自身存在的所有问题，必须在不同结构层次上 分别考虑：通过具有不同性能连续相的梯度复合，改善或提高其抗拉强度和韧性； 通过不同性能分散相的梯度复合，改善和提高其物理力学性能并使其具有复合功 能；通过骨料-水泥浆界面组分梯度分布的改善，使界面弱区得到强化；通过层 状结构层间界面组分的梯度分布，最大限度的缓和其界面应力。 3、根据四层次结构模型提出了适合于水泥基梯度复合材料成型的工艺方法， 设计加工了水泥基材料“梯度混练仪”，解决了水泥基FGM成型加工的难题。按 照组分连续梯度变化的要求设计的由计算机自动控制下料的“梯度混练仪”，可 以基本保证按材料设计要求做到组分连续梯度变化，还可以使不易分散均匀的纤 维材料分散均匀。在没有合适的成型设备的情况下采用组分阶梯梯度变化、分层 布料和机械振动成型，亦可以基本得到设计要求的分布状况与材料性能。 4、按照四层次结构模型，分别在四个层次上进行了组分梯度分布的试验探 索，得到了预期的材料性能。并探讨了组分梯度分布对水泥基材料物理、力学性 能和功能的改善机理，试验表明： (1)、连续相层次各组分的梯度分布明显改善了水泥基材料的抗折强度和韧性。 通过连续相组分(水泥石和聚合物)的梯度分布，在聚合物部分取代水泥并呈梯 度分布时，可以在不牺牲抗压强度的前提下，明显提高水泥基材料的抗折强度和 韧性。其中两组分梯度分布比其均匀分布的抗折、抗压强度分别提高20％和10％ 以上；两组分梯度分布与水泥净浆相比，抗压强度虽没有明显提高，但抗折强度 提高78％，最大荷载点的塑性变形提高数倍。结构与力学分析表明，其原因在于： 在受压过程，富水泥石侧承受较大的荷载，富聚合物侧则既具有阻止裂纹扩展的 作用，又有维持水泥石“压杆”稳定的作用，最终使结构呈压杆滑移失效方式破 坏而产生较大的塑性变形、提高强度和韧性；在受弯过程，弯曲受拉侧聚合物和 水泥石的两套网络有很好的抗拉能力，弯曲受压侧水泥石有很好的抗压能力，由 此而提高了材料的抗折强度和韧性。 (2)、骨料表面粗糙区内浆体和骨料组分的梯度分布使界面弱区显著强化。首 次采用化学的办法对骨料进行预处理，通过对骨料的化学预处理，改善了水泥浆 －骨料过渡区组分的梯度分布，使界面弱区得到了强化而提高了水泥基材料的宏 观力学性能，使抗压、抗折强度分别提高30％以上。可以认为，由于骨料表面的 粗糙化、活性化和洁净化而吸收了普通界面的早期水膜，改善了普通界面区晶粒 粗大、择优取向、Ca/Si比高、孔隙率高的缺陷，在骨料表面粗糙区内形成了骨 料与水泥浆的梯度复合并产生化学反应，使界面区形成较强结合。研究表明，骨 料表面的酸预处理可以使其表面特性向有利方向发展，而碱处理则向不利方向发 展。酸处理表面改性程度与酸的种类和处理时间有关。 (3)、不同性能和功能的分散相的梯度分布，使水泥基梯度材料在具有复合 功能的前提下不同性能和功能得到明显改善。其中： ①高强、活性骨料相的梯度分布与其均匀分布相比，抗压、抗折强度和 弹性模量均有明显改善，其中抗折强度提高30％以上，由于受力方式更符合并联 混合律； ②纤维增强相的梯度分布，可以在较少纤维用量下达到设计要求的增强 效果，其原因主要为纤维的分布与应力分布相一致而有效发挥作用； ③采用普通骨料和具有保温功能的陶粒的梯度分布则可在保证其相应结 构强度的情况下使结构具有良好的保温性能，与两相均匀分布相比，梯度分布可 使导热系数由0.3以上降至0.2，实现了同一材料(制品)上的复合功能，分析 表明，其改性机理是其受力方式更符合并联混合律，热传导方式更符合串联混合 律——即低导热相的相对集中阻断了热传导通路； ④碳纤维的梯度分布，可在较少碳纤维用量下使混凝土具有导电发热功 能，并改善了内部温度和温度应力分布，有效的缓解了温度应力集中现象，其改 性原因为不发热区碳纤维的存在，改变了导热机制，即由单纯的声子导热变为电 子、声子复合导热，快速的热传导缩小了内部的温度差；同时，实验发现，碳纤 维在一定的含量下，通电后可快速发热，并随着温度的升高，发热升温速度下降 (电阻增大)，最终达到了一个发热和散热的平衡而使结构温度恒定，为在智能 建筑和其他方面的使用提供了可能。 实验表明，不同的性能或功能要求不同的组分梯度分布函数。 (4)、层状结构层间组分的梯度分布，使界面区残余应力明显缓和。层间组 分梯度分布明显提高了层状结构的抗劈拉强度和抗弯强度，力学分析表明，层间 组分的梯度分布大大降低了各层间的温、湿膨胀系数的不适配性，缓和了界面区 残余应力，从而有效地改善了层状结构的力学行为。 5、本文对水泥基梯度复合材料初步的探索表明，经过进一步系统深入的研 究，指定性能和功能的水泥基复合功能材料有可能通过不同组分的梯度复合来实 现，显示了水泥基梯度功能材料具有很高的理论研究价值和很好的应用前景。 关键词：水泥基梯度功能材料，界面区，组分梯度分布，层状结构， 四层次结构模型