0 前言

众所周知，迄今人们所熟悉的各种金属材料，不论是晶态材料还是非晶态材料，其组成、结构都是均匀一致的，因此对于某种确定的材料而言，其物理、机械、电磁等性能是一定的。梯度功能材料(Functionally Gradient Materials，简称FGM)从表面到其内部，材料的组成和它的微观结构不是均一的，而是呈梯度分布的，材料的成分和组织在其内部的某个方向上是逐渐连续变化的，即形成梯度分布。这类材料因其内部成分和结构的变化，所以它的性能也是连续变化的，这种变化的性能正是满足了不同工作环境对材料的要求。梯度功能材料是应现代航天航空工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境(超高温、大温度落差)下能反复地正常工作而发展起来的、根据全新的材料设计概念而开发的一种新型功能材料，它以缓和热应力和耐热、隔热以及耐腐蚀等为目的，其设计思想是使材料的构成要素(组成、结构、结合形式等)从一侧向另一侧呈现连续性变化，从而得到单一或复合功能渐变的非均质材料，其制备过程综合了计算机辅助材料设计和先进的材料复合技术^[1]。

1 梯度功能材料的特点

梯度功能材料在其制备的过程中，选择几种不同性质的材料，连续地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合方式等)，使界面的成分和组织呈连续性的变化，因而材料内部的热应力大为缓和，使材料的两侧具有不同的性质或功能，同时两侧之间结合好，不发生破坏^[2,3]。梯度功能材料与通常的混杂材料和复合材料有明显的区别，见表 1。

从材料的组合方式来看，梯度功能材料可分为金属/陶瓷、金属/非金属、陶瓷/陶瓷、陶瓷/非金属以及非金属/塑料等多种结合方式。从组成变化来看，梯度功能材料可分为三类：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)，梯度功能涂覆型(在基体材料上形成组成渐变的涂层)，和梯度功能连接型(粘接两个基体间的接缝组成呈梯度变化)。

2 梯度功能材料的制备方法

制备梯度功能材料的关键：一是如何采取工艺措施确保两种材料在组成、结构上呈梯度变化；二是如何提高材料整体的致密性。对于梯度功能材料的制备技术和方法，国内外科学工作者进行了大量的研究和开发。其制备技术综合了超细、超微细粉、均质或非均质复合材料等微观结构控制技术和生产技术，使用的原材料可以是气相、液相或固相。目前国内外用于制备梯度功能材料的一些主要方法有如下几种。

2.1 化学气相沉积法(CVD)

化学气相沉积法是气相法生产梯度功能材料的一种化学反应方法.该法又分为热CVD、等离子CVD及光CVD。通过两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定的条件下发生化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积以制备FGM的方法。CVD法的特点：可以通过选择合成温度，调节原料气的流量和压力等来控制FGM各成分的组分比和结构，而且可镀复杂形状的表面材料，沉积面光滑致密，沉积率高，可能成为制备复杂结构的FGM的表观涂层关键技术之一。例如，将含有金属和(或)非金属卤化物的原料气体进行加热分解，使其沉积在基板上，或者将生成的碳化物、氮化物混合气体送人反应器中，使加热反应生成的化合物沉积在基板上。目前，国外已用CVD法制备出厚度为0.4~2mm的SiC/C、TiC/C、SiC/TiC、Al/C系FGM^[4-6]。

2.2 自蔓延高温合成法(SHS)

利用粉末状混合物间化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材料烧结和合成来制备FGM的一种方法。该方法的特点是利用高放热反应的能量使化学反应自动持续下去，最适合于生成热比较大的化合物的合成，如AIN、TiC、TiB等。调整好原料混合物粉末的组分，将金属粉末和陶瓷粉末按梯度化充填，加压压实，在一端点火，利用反应热将粉末烧结成材。该法操作过程简单，反应迅速，能耗低，纯度高。但自蔓延合成技术制备的材料往往致密度低，通常在反应时采用加压以提高致密度，其主要手段是通过加强生坯致密度来提高成品材的致密度。日本采用连续成型的电磁加压自蔓延技术合成了TiB₂/Cu系梯度功能材料；还采用自蔓延高温合成技术和热等静压相结合，研制了TiC/Ni等梯度功能材料，其组织结构呈现连续式梯度变化。我国学者傅正义等采用自蔓延高温合成技术制备出TiB/Al系梯度功能材料，并在TiB和Al的梯度组成变化中，观察到形成TiAl₃金属间化合物。国内学者采用爆炸压实提高生坯密度和自蔓延高温合成技术制备了Al₂O₃/Ti系梯度功能材料，试验结果表明，组织结构呈梯度变化，致密度由未经爆炸压实的82%提高到94%理论密度，显微硬度明显提高，HV值为461.80t^[7-11]。

2.3 电化学法(EC)

EC法是一门古老而又年轻的表面制备技术。它根据电解质溶液的特性和物质发生电化学反应的难易程度，利用电解作用和(或)化学反应使溶液中不同离子同时还原出来，并沉积在基体表面，形成镀层。随着加工过程中电流密度、电解质浓度的变化，镀层的成分和结构可发生相应的变化^[12-14]。近年来，有关电镀、化学镀、电泳、电铸、复合镀技术用于材料表面处理的研究甚多，具备特殊磁、电、光、热、焊接、耐磨、高硬度的镀层相继出现，其中很多达到了工业化生产阶段。随着现代工业和科技的发展，电化学法在材料表面处理中的应用范围不断扩大，并已渗入到FGM制备领域，将电解析出法应用于制备梯度功能材料，其方法有“水溶液电解析出法”和“熔融电解析出法”，特别适合于金属——金属梯度材料的制备。

2.4 物理蒸镀法(PVD)

物理蒸镀法亦叫物理气相沉积法，是通过物理方法使物质加热蒸发进而在基板上沉积成膜的一种制备材料的方法。根据制备过程通常又将PVD法分为真空蒸镀(VE)和离子蒸镀(IP)。加热金属的方法有电阻加热、电子束加热、利用空心阴极放电(HCD)的等离子加热及利用气体离子的溅射等方法也可以在金属蒸气中通入氧、氮和碳氢等气体，使之析出氧化物、氮化物、碳化物等陶瓷。

PVD法的特点是可以制备多层不同物质的膜。由于PVD法得到的膜较薄，并且每层膜只能是单纯某物系，所以用PVD法来制备梯度功能材料时，往往和CVD结合使用。例如在制备TiC/Ti系FGM时，用离子溅射装置使Ti蒸发，同时调节CH₄气体的蒸发流量来控制TiC/Ti系材料的结构和厚度，国外已制备出Ti/TiC、Ti/TiN、Cr/CrN、Ti/TiAlN和SiC/C/TiC等多层梯度功能材料^[15,16]。

2.5 等离子喷涂法(PS)

等离子喷涂法是将熔融状态的喷涂材料用高速气流使之雾化，并喷射在基材表面形成涂层的一种表面加工方法。因为等离子可获得高温、超高速的热源，最适合于制备陶瓷/金属系FGM。其基本原理是：使用粉末状物质作为喷涂材料，以氮气、氩气等气体为载体，吹人等离子射流中，粉末在被加热熔融后进一步加速，以极高速度冲撞在基材表面形成涂层。该方法的关键是必须精确地控制组分比、喷涂压力、喷涂速度和喷涂颗粒的粒度等参数，就能调整FGM的组织结构和成分。等离子喷涂法有同时喷涂法和低压喷涂法。前者采用多套独立的喷涂装置来分别精确控制喷涂成分制备FGM；后者采用一套可调组分的喷涂装置来直接进行制备。等离子喷涂法适合于几何形状复杂的器材表面梯度涂覆和加工。

2.6 粉末冶金法(PM)

粉末冶金法是先按设计的物料层数和组分分布比制备各层混合均匀物料，然后分层布料加压，制成一定致密度的坯体，最后烧结而成^[17,18]。

粉末冶金法的优点是易于操作，控制灵活，适宜于工业化生产并且可以制作大尺寸梯度功能材料。其缺点是难于实现物料层组分的连续变化，不能完全消除料层间界面。此外，由于物料各层组分是变化的，因而需要烧结温度亦呈梯度变化，若采用整块坯体材料同温烧结，则难于保证各层物料的烧结致密性，同时，会因热应力过大产生开裂。

为了克服同温烧结的不利因素，张同俊等进行了激光加热烧结金属/陶瓷(Ti/Al₂O₃)梯度功能材料的研究。其原理是利用陶瓷粉末对激光具有很强的吸收性，以激光为热源，在坯样陶瓷一侧因吸收激光能量而达到适当的烧结温度，热量在坯样中传递形成一个梯度变化的温度场，从而实现与组分变化一致性的梯度温度变化烧结。

3 梯度功能材料的应用前景

梯度功能材料是一类具有全新概念的材料，作为一种新型功能材料，它具有比传统复合材料更为优异的性能，其应用前景极为广阔，在航天工业、能源工业、电子工业、光学材料、化学工程和生物医学工程等领域具有重要的应用。生物材料方面将羟基磷灰石陶瓷和钛或Ti-6Al-4V合金组成的梯度功能材料作为仿生活性人工关节和牙齿，是特别适于植入人体的生物材料，在生物医学领域应用前景广阔。电子材料方面FGM制造技术非常适合于制造电子元件的基板一体化、二维或三维复合型的电子产品。满足电子仪器日趋轻量化、高密度化和微型化的需求。航天工业采用热应力缓和梯度材料能解决需兼有耐热性和强度的问题，成为可在高温环境下应用的新型耐热材料。核反应堆材料若采用金属/陶瓷结合的梯度材料，能消除热传递及热膨胀引起的应力，解决界面问题，可能成为替代目前不锈钢/陶瓷的复合材料。无机膜反应器采用梯度功能材料进行制备，不仅可以提高反应的选择性，而且可以改善反应器的温度分布和优化工艺操作，有利于提高反应生成物的产率。

梯度功能材料是一种设计思想新颖、性能极为优良的新材料，将FGM结构和FGM化技术与智能材料系统有机地结合起来，将会给材料科学带来一场新的革命，因此，梯度功能材料被认为是21世纪材料科学的一个重要发展方向。