梯度結(jié)構(gòu)功能材料也稱功能梯度材料(functionally graded materials，簡稱FGM)是指構(gòu)成材料的要素(組成、結(jié)構(gòu))沿某一維度呈連續(xù)梯度變化，從而使材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性能在空間上具有相應(yīng)梯度變化的材料。它可分為成分梯度材料、晶粒度梯度材料和相成分梯度材料等[1~2]。

結(jié)構(gòu)材料常遇到一些較復(fù)雜的服役條件，有時會要求材料的性能隨構(gòu)件中的位置而不同。例如，一把廚房用刀只需其刃部堅硬；而在其他地方，用于制造它的材料則必須具有高強度和韌性。同樣，一個齒輪輪體必須有好的韌性，而其表面則必須堅硬和耐磨。渦輪葉片的主體必須具有高強度、高韌性和抗蠕變的特性，而它的外表面必須耐熱和抗氧化。功能梯度材料在一個構(gòu)件中引入顯微組織與成分的逐漸變化，可以滿足在該部件中不同位置上不同的性能要求，進而使該部件的服役性能整體上獲得最佳效果。由于FGM具有組成和顯微結(jié)構(gòu)連續(xù)變化、適應(yīng)環(huán)境和可設(shè)計性的特點，其應(yīng)用已從航空航天拓展到核能、生物醫(yī)學(xué)、機械、石油化工、信息及建筑等諸多領(lǐng)域[3]。

1.1 天然梯度結(jié)構(gòu)材料

天然生物材料歷經(jīng)了長期的進化，其微結(jié)構(gòu)和與之相對應(yīng)的力學(xué)性能趨于最優(yōu)化，大都具有微觀復(fù)合、宏觀完美的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的強韌性及功能適應(yīng)性。例如，骨骼、皮膚、貝殼、竹子等生物材料由于其呈梯度分布的結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)和生物性能，因此對人工梯度結(jié)構(gòu)材料的制備有較強的指導(dǎo)作用[4~5]。

1.1.1 骨骼

人體和動物體的骨骼是典型的梯度結(jié)構(gòu)。骨骼表面由骨膜組成，是一層堅韌的結(jié)締組織膜，覆蓋在骨的表面；內(nèi)含有豐富的血管、神經(jīng)和成骨細胞，對骨營養(yǎng)、再生和感覺有重要作用。骨質(zhì)部分主要是細小膠原纖維微束連接成的網(wǎng)狀骨架和所沉積的片狀或針狀礦物質(zhì)晶體的復(fù)合體。纖維微束的直徑通常為100~2000 nm，礦物質(zhì)晶體主要是羥基磷灰石，厚度為1.5~5 nm，寬度約為20 nm，長度通常為20~60 nm，平行于膠原纖維沉積在膠原骨架上。在整體結(jié)構(gòu)上骨質(zhì)部分具有明顯的梯度結(jié)構(gòu)，主要包括骨密質(zhì)和骨松質(zhì)，各部分密度明顯不同。前者相對質(zhì)地堅硬致密，分布于骨的表層；后者呈海綿狀，由許多片狀的骨小梁交織而成，分布于骨的內(nèi)部。

骨密質(zhì)由與骨干方向平行的圓柱形的骨單元組成。骨單元的中間是哈弗斯管，由骨內(nèi)膜平行排列組成。哈弗斯管周圍是以同心圓的方式排列的膠原纖維層狀骨板。骨單位之間由無定形的基質(zhì)黏結(jié)。骨單位之間膠原纖維的取向、密度及孔隙率對骨密質(zhì)的強度有很大影響。這種結(jié)構(gòu)可以有效地增強骨的支持力，阻止裂紋的擴展。

骨松質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由板狀或棒狀的骨小梁相互交織構(gòu)成的三維多孔網(wǎng)絡(luò)，孔中充滿骨髓組織，每個骨小梁由平行薄片狀的膠原纖維組成。這種結(jié)構(gòu)不僅減輕了質(zhì)量，且不影響強度[6~7]。

長骨的構(gòu)造特點是兩端粗大而中部細長，是一種管形骨。骨干部分細長，其截面積近似為圓形，骨干是空心的，中段壁厚約為直徑的1/5。中部是質(zhì)地致密、抗壓、抗扭曲力強的骨密質(zhì)。生物力學(xué)的分析表明，骨骼中應(yīng)力大的區(qū)域正好是強度高的區(qū)域，即骨密質(zhì)區(qū)域；而長骨兩端粗大，是呈海綿狀、疏松的骨質(zhì)，其作用一方面是在受壓時減緩壓力的沖擊，另一方面是通過與韌帶、肌肉組織的協(xié)調(diào)配合，粗大的端部有利于應(yīng)力的傳遞，能更有效地發(fā)揮骨質(zhì)致密的中段骨的承力作用。同時這種從骨端圓滑過渡到長骨中部的結(jié)構(gòu)，也不會引起應(yīng)力的集中，如圖1-1所示[4~5]。

圖1-1 人體長骨結(jié)構(gòu)示意圖