功能梯度材料是一種新型復(fù)合材料，它的設(shè)計(jì)要求功能、性能隨機(jī)件內(nèi)部位置的變化而變化，通過(guò)優(yōu)化構(gòu)件的整體性能而得以滿足。梯度功能材料由兩種或多種材料復(fù)合且成分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化。功能梯度材料是應(yīng)現(xiàn)代航天航空工業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域的需要，為滿足在極限環(huán)境下能反復(fù)地正常工作而發(fā)展起來(lái)的新型功能材料。

功能梯度材料是一種材料到另一種材料呈連續(xù)變化的新型功能材料。功能梯度材料使用的原料可以是液相、氣相或固相。原則上來(lái)說(shuō)，只要能有效地控制和改變各成分含量和比例的工藝都可以作功能梯度材料的合成方法。

功能梯度材料在制備過(guò)程中，一般都是通過(guò)物理方法或者化學(xué)方法來(lái)達(dá)到所需的梯度。目前主要方法有化學(xué)氣相沉積法(CVD)、物理蒸鍍法(PVD)、等離子噴涂法(PS)、自蔓延高溫合成法(SHS)、粉末冶金法、化學(xué)氣相滲透法(CVI)、激光傾斜燒結(jié)法、電解析出法、等離子放電燒結(jié)法等。選擇幾種不同性質(zhì)的材料，用相應(yīng)的方法連續(xù)的控制材料的微觀要素(包括組成、結(jié)構(gòu)和空隙在內(nèi)的形態(tài)與結(jié)構(gòu)方式等)，從而制造出使材料在不同區(qū)域體現(xiàn)出不同功能的新型材料。如圖 1 所示。

由于功能梯度材料的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點(diǎn)如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢(shì):

1)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;

2)將FGM用作界面層來(lái)連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;

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(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;

4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動(dòng)力。

陶瓷－金屬功能梯度材料的兩面在性能上有很大的差異，同時(shí)這種成分或結(jié)構(gòu)的變化是逐漸過(guò)渡的，可有效緩解材料兩側(cè)溫差所引起的巨大應(yīng)力，因此，它能夠耐熱沖擊，且具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。

首先，現(xiàn)在功能梯度材料已經(jīng)慢慢的越來(lái)越重要和流行，但是現(xiàn)在還沒(méi)有對(duì)其具體專業(yè)的介紹，加之，此材料涉及到納米材料，更是未來(lái)重要的新型材料。梯度功能材料的英文全拼有兩種：

一是：functional gradient materials，是指材料的組成和結(jié)構(gòu)從材料的某一方位一維二 維或者三維）向另一方位連續(xù)地變化，使材料的性能和功能也呈現(xiàn)梯度變化的一種新型的功能性材料．（黃敬東，吳俊，王銀平，黃清安．武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430072）。

二是：functionally graded materials，簡(jiǎn)稱（FGM）的概念是由日本新野正之與平井敏雄等學(xué)者于1987年首先提出的 [2]  ，它是指一類組成結(jié)構(gòu)和性能在材料厚度或長(zhǎng)度方向連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化的非均質(zhì)復(fù)合材料(王志, 李明玲,沈強(qiáng),張聯(lián)盟,武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070,濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250022)

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類方式。

根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料；

根據(jù)其組成變化 FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)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(gè)基體間的界面層呈梯度變化）；

根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度 FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等；

根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱 FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等。

從材料的結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，梯度功能材料與均一材料、復(fù)合材料不同。它是選用兩種（或多種）性能不同的材料，通過(guò)連續(xù)地改變這兩種（或多種）材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其界面消失導(dǎo)致材料的性能隨著材料的組成和結(jié)構(gòu)的變化而緩慢變化，形成梯度功能材料。

關(guān)于FGM 的特點(diǎn)，可以從材料的組合方式來(lái)看，F(xiàn)GM可分為金屬/合金，金屬/ 非金屬，非金屬/陶瓷、金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷等多種組合方式，因此可以獲得多種特殊功能的材料。這是FGM的一大特點(diǎn)，F(xiàn)GM的特點(diǎn)也可以從材料的組成的變化來(lái)看，F(xiàn)GM可分為。

1）梯度功能連接型,即是粘接在兩個(gè)基體間的接縫組成呈梯度變化。

2）梯度功能涂覆型，即在基體材料上形成組成漸變的涂層。

3）梯度功能整體型，即是材料的組成從一側(cè)向另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料。因而，可以說(shuō)FGM具有巨大的應(yīng)用潛力，這是FGM的另一大特點(diǎn)。

FGM的研究由材料設(shè)計(jì)、材料合成和材料性能評(píng)價(jià)三個(gè)部分組成。

材料合成是FGM研究的核心，材料設(shè)計(jì)則是為FGM合成提供最佳的組成和結(jié)構(gòu)梯度分布，材料性能評(píng)價(jià)則是建立準(zhǔn)確評(píng)價(jià)FGM性能的一整套標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方法，依此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)FGM進(jìn)行測(cè)試并將測(cè)試結(jié)果及時(shí)反饋給材料設(shè)計(jì)部門．三者緊密相關(guān)，相輔相成。目前材料設(shè)計(jì)多數(shù)采用逆設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

首先是按照對(duì)材料性能的要求和使用條件，然后查閱材料組成和構(gòu)造的知識(shí)庫(kù)，依據(jù)設(shè)計(jì)的基本理論，對(duì)材料的組成和結(jié)構(gòu)的梯度分布進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)時(shí)，一些新技術(shù)、新方法的應(yīng)用給FGM的研究增添了無(wú)窮的活力。例如：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)對(duì)FGM進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)已有詳細(xì)地描述。

另外，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、有限元法，分形理論進(jìn)行FGM 的研究。例如據(jù)報(bào)道了采用德國(guó)SIS公司的Anqlisis圖象分析系統(tǒng)的)PRO 版本，測(cè)量了ZrO2/Ni系的梯度功能材料的水平面和垂直面的分形維數(shù)并初步建立了分形維數(shù)與宏觀性能之間的關(guān)系。根據(jù)分形理論，可以用材料的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)表征材料的宏觀性能，即是分形維數(shù)定量表征梯度功能材料表面微觀形貌及其與性能之間的關(guān)系。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，這一方法將變得更為準(zhǔn)確、簡(jiǎn)捷。采用直接觀察測(cè)試表面的分形特征用表面形貌來(lái)推斷其力學(xué)性能，可以省去煩瑣的性能測(cè)試，提高效率，降低成本。當(dāng)然，用分形理論來(lái)研究FGM 的性能還有待FGM性能數(shù)據(jù)的累積和分析方法的完善。

功能梯度材料因具有較高機(jī)械強(qiáng)度、抗熱沖擊、耐高溫性能等特點(diǎn)，在航空航天工程、核工程、生物醫(yī)學(xué)工程、電子工程、化學(xué)工程等諸多方面都有廣泛的應(yīng)用。列舉了功能梯度材料在航空航天工程、核工程上的應(yīng)用范圍和材料的組合相。

在軍事上，功能梯度材料已經(jīng)不僅僅限于隔熱材料。例如，功能梯度材料已進(jìn)入隱身材料行列。目前，各軍事強(qiáng)國(guó)都逐漸增強(qiáng)戰(zhàn)機(jī)、艦艇、導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)的隱身能力，而相對(duì)單一結(jié)構(gòu)的隱身材料來(lái)說(shuō)，通常難以同時(shí)滿足阻抗匹配和材料的聲衰減性能好這兩個(gè)條件。因此，鑒于功能梯度材料的特點(diǎn)，通常在設(shè)計(jì)消聲覆蓋層時(shí)都把它設(shè)計(jì)成帶有阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)的梯度結(jié)構(gòu)吸波材料。

航空航天熱防護(hù)領(lǐng)域是最先應(yīng)用功能梯度材料的領(lǐng)域。例如，當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過(guò)馬赫數(shù) 25 時(shí)，機(jī)頭的前端和機(jī)翼的前沿處表面溫度高達(dá) 2 000 ℃，以前采用的是以陶瓷為主的組合式復(fù)合材料熱防護(hù)系統(tǒng)，除了無(wú)法重復(fù)使用性外，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也存在很大的問(wèn)題，如經(jīng)常發(fā)現(xiàn)航天飛機(jī)在太空時(shí)出現(xiàn)熱防護(hù)塊脫落的現(xiàn)象。金屬陶瓷功能梯度材料可以像金屬一樣開孔連接或直接焊接，從而解決了這些問(wèn)題。