梯度材料

當代高新技術的飛躍發展，引起材料科學領域內的不斷變革，使得各種適應高新技術發展的新材料應運而生。梯度材料正是適應了這種需要，成為材料領域綻開的一朵新葩。

所謂梯度材料，嚴格意義上講，應該稱作“梯度功能複合材料”（FunctionallyGradientMaterials，簡稱FGM），又稱傾斜功能材料。

一般複合材料中分散相是均勻分佈的，整體材料的性能是同一的，但是在有些情況下，人們常常希望同一件材料的兩側具有不同的性質或功能，又希望不同性能的兩側結合得完美，從而不至於在苛刻的使用條件下因性能不匹配而發生破壞。從太空梭的推進系統中最有代表性的超音速燃燒衝壓式發動機為例，燃燒氣體的溫度通常要超過2000℃，對燃燒室壁會產生強烈的熱衝擊；燃燒室壁的另一側又要經受作為燃料的液氫的冷卻作用，通常溫度為－200℃左右。這樣，燃燒室壁接觸燃燒氣體的一側要承受極高的溫度，接觸液氫的一側又要承受極低的溫度，一般材料顯然滿足不了這一要求。於是，人們想到將金屬和陶瓷聯合起來使用，用陶瓷去對付高溫，用金屬來對付低溫。但是，用傳統的技術將金屬和陶瓷結合起來時，由於二者的界面熱力學特性匹配不好，在極大的熱應力下還是會遭到破壞。針對這種情況，1984年，日本科學家平井敏雄首先提出了梯度功能材料的新設想和新概念，並展開研究。這種全新的材料設計概念的基本思想是：根據具體要求，選擇使用兩種具有不同性能的材料，通過連續地改變兩種材料的組成和結構，使其內部界面消失，從而得到功能相應於組成和結構的變化而漸變的非均質材料，以減小和克服結合部位的性能不匹配因素。例如，對上述的燃燒室壁，在陶瓷和金屬之間通過連續地控制內部組成和微細結構的變化，使兩種材料之間不出現界面，從而使整體材料具有耐熱應力強度和機械強度也較好的新功能。

當前對聚合物梯度材料的分類尚沒有統一的標準。根據應用領域的不同，可分為核功能梯度材料、生物功能梯度材料、化學功能梯度材料、光學功能梯度材料等；根據其組成材料的不同，可以分為高聚物/高聚物、高聚物/陶瓷、高聚物/金屬和高聚物/無機填料等類型；根據製備方法的不同，又有化學方法製備型和物理方法製備型；其中根據梯度化因素的不同，化學方法製備型梯度材料中又可分為組成梯度變化型、交聯度梯度變化型、結晶度梯度變化型等梯度材料；物理方法製備型梯度材料中又可分為取向度梯度變化型、相形態梯度變化型、分散相粒徑或組成梯度變化型等。

目前，梯度材料的研究主要集中於材料的設計、製備和評價三個方面。

關於設計：梯度功能材料的設計特色在於設計與材料的合成手段緊密結合，並藉助於計算機輔助設計專家系統，得出接近於實際的結果。關於製備材料的性能取決於體系選擇及內部結構。對梯度功能材料必須採取有效的製備技術來保證材料的設計。目前，已開發的梯度材料製備方法主要有：化學氣相沉積法、物理蒸發法、等離子噴塗法、顆粒梯度排列法、自蔓延高溫合成法、液膜直接成法及薄膜浸滲成型法等。

關於評價：對梯度功能材料性能評價，目前國內外尚沒有統一的標準，由於使用目的、使用環境、製備方法等的不同，可能有不同的評價方法。例如，對等離子噴塗法製備的FGM，參照等離子噴塗的有關標準，可進行結合強度、熱衝擊性、隔熱性以及耐熱性等性能評價。

雖然FGM的最初目的是解決太空梭的熱保護問題，提出了梯度化結合金屬和超耐熱陶瓷這一新奇想法。鑒於梯度材料的特點，它很快就被利用在其他功能材料的構想和研究中，現在，隨著FGM的研究和開發，其用途已不局限於宇航工業上，其應用已擴大到核能源、電子、化學、生物醫學工程等領域，其組成也由金屬－陶瓷發展成為金屬－合金、非金屬－非金屬、非金屬－陶瓷、高分子膜－高分子膜等多種組合，種類繁多，應用前景十分廣闊。