梯度功能材料（FGM）是应新材料高技术领域的需要，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开发的一类新型复合材料。该材料的显著特征是：组分结构及物性参数都呈连续变化。“梯度功能材料”的概念是日本学者平井敏雄、新野正之、渡边龙等三人在研究开发宇宙高技术新材料时，首先提出来的，通过精心设计和特殊的手段，使金属与陶瓷的复合物组分、结构能连续地变化，由金属侧过渡到陶瓷侧形成一种物性参数也是连续变化的复合材料。这种复合材料的一侧由陶瓷赋予耐热性，另一侧由金属赋予其机械强度及热传导性，并且十分则之间的连续过渡能使温度梯度所产生的热应力得到充分缓和。

1.梯度功能材料的设计

梯度功能材料的设计不同于传统的材料研究方法，它主要通过计算机辅助设计系统，根据规定的设计物件的形状和工作要求，选择有可能合成的材料的组配和恰当的制造方法。进而根据材料的物性参数及控制梯度变化的适宜条件组成，进行温度分布解析和热应力解析，以探索比应力达最小值的组成分布形状或材料组分。获得的结果提交材料合成部门，并据此进行梯度功能材料的制备。按照这一材料设计思想制成的梯度功能材料可具备传统的均质或复合材料所没有的各种特殊性能。

2.梯度功能材料的制备

材料的性能取决于材料的结构，如何按照材料设计制备出所需结构性能的材料，必须采用有效的材料制备及其结构控制方法。

（1）化学气相（CVD）沉积法　CVD法是通过气相物质间在一定的条件下发生化学反应，使生成的固相在基体上沉积来制备材料的方法。在制备FGM材料时，该方法的特点是可以通过选择合成温度，调节原料气流量和压力等来控制材料的组成比与结构。如用SiCl4-C3H8气相系合成SiC-C功能梯度材料。

（2）物理蒸镀（PVD）法以及PVD-CVD法　PVD法是通过物理方法使源物质蒸发进而在基体上成膜的一种制备材料的方法，它的特点是可以合成多层不同物质的膜。但由于该法得到的膜较薄，并且每层膜只能是单纯某物系。所以，用PVD法来制备FGM材料时，往往同时配合以CVD法来进行。例如在制备TiC-Ti系FGM材料时，用离子油射装置使Ti蒸发，同时，通过调节CH4气体的蒸发流量来控制TiC-Ti系材料的结构与厚度。

（3）颗粒梯度排列法　将不同混合比的颗粒物料在成型时，使之呈梯度分布，再进行压制烧结的方法。它又分颗粒直接填充法和薄膜叠层法。对于前者，已建立了“金属颗粒层—中间过渡层—陶瓷颗粒层”的材料模型，利用有限元法进行了计算。结果认为：中间过渡层越厚，热应力值越小。并用ZrO2—3%Y2O3（PSZ）颗粒和SUS304不锈钢颗粒制备出了热应力缓和型FGM材料。也用此法合成了MgO/Ni系及ZrO2/Mo系梯度材料。(www.daowen.com)

相比较而言，所谓“薄膜叠层法”的效果要好一些。该方法是将调整好粒度的陶瓷粉、金属粉等作为原料掺入微量粘结剂、分散剂等，用振动磨制成泥浆并在真空下搅拌脱气泡，通过刮滚刀制成薄膜。将这些不同成分和结构的薄膜进行叠层、烧结，就可获得具有良好热应力缓和性能的FGM材料。目前正在开发使颗粒梯度排列更加平缓、均匀的“连续喷射”方法。

（4）自蔓延高温合成法　自蔓处高温合成（Self-propagating High-temperature Synthesis，SHS）是由原苏联科学家首先提出来的一种制备材料的新方法。主要是利用高放热反应的能量使化学反应自动持续下去。该方法的优点是：过程简单、反应迅速、耗能少、纯度高。SHS过程是：通过元素如A和B化合直接形成反应产物AB，并释放出热量。

由于在材料制备时金属和陶瓷的梯度分布，在烧制过程中，金属一侧发热量小，陶瓷一侧发热量大，形成一种有温度梯度的“差温式”烧结。使烧结体在冷却到室温后，金属侧处于一种压应力状态，陶瓷侧处于一种拉应力状态，更加有利于FGM材料的热应力弛豫。

（5）等离子喷涂法　等离子喷涂法可分为同时喷涂法和减压等离子喷涂法。前者是用两套独立的喷涂装置来分别精密控制喷涂成分而制备FGM材料；后者是用一套喷涂装置来直接制备。这种方法必须精确控制组分、喷涂压力、喷涂速度、喷涂颗粒的粒度等。

3.梯度功能材料的发展

FGM的概念和思想，还可广泛应用到其它材料领域。比如光、电梯度材料，具有生物功能的梯度材料、压电性能梯度材料、发热体梯度材料以及耐腐蚀梯度材料等等。可以说，FGM的概念已预示出无限的功能前景。

为了促进FGM材料的研制和开发，需要开发“FGM”材料合成与结构控制的新技术、新工艺以及新的装备；优化“FGM”材料的设计系统；完善FGM的材料特征评价以及与之相关的解析与模拟的计算机程序。