梯度功能复合材料的发展研究现状及其应用
摘要：本文简要论述了梯度功能复合材料的发展历史，简要分析了其技术优势及其特点。列举了现阶段典型的制备工艺及其特点.。简单介绍了关于梯度功能复合材料在各个领域的应用概况。
关键词：梯度功能复合；材料；技术；发展；综述
前言梯度功能复合材料是一门新兴技术，其产生和发展的基础是计算机辅助材料设计技术和先进复合材料技术，材料构成要素（结构、组成等）沿着厚度方向从一侧向另一侧连续变化，从而达到材料性质和功能也随之呈梯度变化是它的主要特点。因此，梯度功能复合材料拥有较高的力学强度、抗热冲击、耐高温性能（达2000℃以上）等特点。
梯度复合材料的研究内容
梯度功能材料的概念最早由日本的新野正之于平井敏雄等提出。以美国的国家空间计划出台为背景产生。梯度材料的设计、梯度材料的制备与结构控制以及梯度材料特性评价三点构成了梯度功能复合材料研究内容的三个要素；也可视为三个基本要素的正过程或者逆过程，三者相互联系，不可分割。以热应力缓和性梯度复合材料举例说明。
1.梯度材料设计主要有两个方面构成；热应力缓和结构设计以及构成梯度材料的物系设计。在所选定的物系前提下保持梯度材料的热应力适宜性是热应力缓和结构设计所追求的目标。所选出的性质与目标环境（温度、气氛、强度等等与目标环境相适应是物系设计的主要考虑方面，此外所选择材料的物理和化学相容性也要充分给予注意，具体包括热膨胀率相差要保持在一定范围、两相之间的润湿性较好、材料制备条件应尽量同一（同时致密化、两相的烧结特性等）。
2.通过材料制备工艺和结构控制手段实现设计目标，是梯度材料研究三要素中的核心。实现梯度材料的组分和结构渐变的手段很多，但最常用的有化学气相沉积法、物理气相沉积法、颗粒排列法、薄膜跌增法、等离子熔射法、电解法和自蔓延加压合成法等。
3.梯度材料研究的第三个环节是梯度材料的特性评价。不同类型的梯度材料需要评价其不同的特性，例如耐循环热冲击性能热应力和隔热性能是缓和型梯度材料的主要评价方面，而综合热电变化效率则是热电变换型梯度材料的主要评价方面。
二、梯度复合技术与结构控制方法
1.化学气相沉积技术
化学气相沉积技术在材料的合成方面具有很多优点，它的合成温度可以远低于材料的熔点，且得到的产物致密，纯度高。可以通过调整原料气体的流量、温度等来控制材料组分、结构状态。另外它和物理气相沉积法和烧结法相比，有如下特点，第一成膜速度快，且可以对体积较大，形状非常复杂的基体极性快速表面镀层；第二不需要助燃剂和粘结剂。所以此法从很早就被用来进行材料表面处理，例如金属表面的改性，合成具有折射率梯度变化的光导纤维等。
2.物理气相沉积技术
用直接加热或者用等离子体能量束、等离子电子束直接激发固体，使反应物蒸发至分子或者原子状态；或直接在基板上与反应气体相互作用最终沉积的方法被称作物理气相沉积技术。物理气相沉积技术原则上可合成多种物质包括碳化物、氯化物、氧化物在内的陶瓷以及金属陶瓷复合产物等，可选择面十分宽广。并且产物纯度高、组成控制精度高，但成厚膜很困难。
3.自蔓延快速加压梯度复合技术
用自蔓延快速加压技术制备具有块体特性的梯度复合材料时，由于物象的组成、熔点、烧结致密化温度都相对式样位置呈梯度变化，所以必须配合以特殊的加压技术，尤其是加压的时机和加压速度。
4.等离子熔射复合技术
等离子熔射制备梯度涂层膜，从设备特点和成膜的性能考虑有两种主要方法；一是常压双枪式等离子熔射，另一种是减压等离子熔射。等离子熔射是利用各种等离子体的发生来达到理想的高温，是物料在从等离子枪内射出并通过等离子焰时熔融或部分熔融甚至有极少部分气化，最终在基体上成膜的一种表面保护加工技术。等离子熔射技术的缺点是，在大气中熔射时会发生不同程度的氧化以及涂层组织的致密度不高等问题。对于一些有高品质要求的涂层，一般使用减压等离子熔射法。
三、现今梯度功能复合材料的应用方向
1.机械工程
由于采用超硬度梯度材料制成的切削工具具有芯部韧性优良并且表面耐磨性好的特点，其耐磨性和使用寿命大大提高。由于大口径火炮、航空涡轮发动机叶片、汽轮机叶片以及汽缸体对耐磨性、耐腐蚀性能以及耐热性能要求具非常高，这些部件也常常采用梯度涂层材料制造
2.电磁工程
梯度复合材料在电磁工程领域发展分支主要包括梯度导电和绝缘材料、梯度压电材料和梯度软磁硅钢材料。梯度复合材料在电磁工程领域的应用带来了更低的剩磁率、瞬间大电流效应的减少抑制、质量和体积的减少和综合性能的提高。目前梯度复合材料在该行业处于平稳发展阶段。
3.生物工程
梯度生物体植入材料现今被大量用在骨外科手术当中，其良好的生物相容性和先进的自愈合、自修复、自再生等特点也是其他材料所不具备的。这些都注定了梯度生物体植入材料的发展前景。
4核能继电器工程
由于梯度耐辐射材料有着良好的热应力缓和效率，近些年也被用于核聚变反应器的制造。同时，集热器和高能热电源热电变换原件也常常出现梯度热电能转化材料的身影。
梯度功能复合材料作为新兴材料在诸多行业领域都得到了广泛的应用，特别是在高精尖领域的前景十分广阔，但由于发展时间不长，在某些方面还存在缺憾，还需要我们进一步研究来提高改善。
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