梯度結構材料的制備方法很多，根據(jù)不同材料和不同結構，人們開發(fā)了許多技術。根據(jù)Suresh的觀點，梯度結構制備技術可分為構造法和基于傳輸?shù)姆椒╗3]。

構造法在原理上比較簡單，是在空間比較精確地分布不同成分、結構的組元，并采用某種方法使這些組元能夠緊密結合，具有一定的強度和功能。隨著計算機和控制技術的發(fā)展，構造法能夠在十幾微米的精度內控制材料結構。

基于傳輸?shù)姆椒▌t是根據(jù)一些科學現(xiàn)象，在材料中自然形成梯度，例如利用熱擴散、物質擴散、熱傳導、物質的宏觀遷移等規(guī)律，造成與時間相關的材料濃度、結構的連續(xù)變化。如果說構造法所形成的梯度是臺階式的話，基于傳輸法則是光滑函數(shù)。

1.3.1 構造法

1. 粉末冶金法制造梯度結構材料

粉末冶金是指以金屬或者陶瓷粉末為原料，通過固結成形和高溫致密化，實現(xiàn)粉末顆粒之間的冶金結合和消除孔隙，從而制備成具有一定形狀尺寸和強度的塊體。相對于熔煉方法，粉末冶金方法在成分設計、組元空間分布和近型成形方面具有顯著優(yōu)勢。例如，在高溫下互不相溶的金屬與金屬、金屬與陶瓷、陶瓷與陶瓷顆粒能夠很方便地通過粉末形式混合在一起。在組元的空間分布方面，通過手工或者計算機控制每一層粉末的厚度和原料成分，很容易實現(xiàn)梯度結構。當然，梯度的大小和精度取決于每一層粉末的厚度[25~26]。

分層鋪粉法制備梯度結構的示意圖如圖1-12所示。

圖1-12 分層鋪粉法制備梯度結構材料示意圖

如圖所示，將不同成分的粉末依次加入壓模后，加壓成形，然后按照一定的燒結制度進行燒結，控制燒結工藝即可制備梯度結構。

構造法制備梯度結構材料的關鍵是燒結工藝的控制。粉末冶金材料的強度取決于粉末顆粒之間的冶金結合以及孔隙的消除，也就是所謂的致密化。粉末致密化的驅動力通常用燒結應力來表示，實際上是粉末顆粒表面能的降低和物質在高溫下的擴散和流動共同作用的結果。

燒結應力是指使燒結體在燒結過程中沿某一軸向收縮剛好停止時必需的作用力，數(shù)值上恰好等于燒結體自身產生的收縮力，如圖1-13所示。燒結應力一般包括粉末顆粒間的范德華力、靜電力、金屬鍵合力、電子作用力、本征拉普拉斯應力及有液相存在時表面張力作用下的附加力。

圖1-13 燒結應力示意圖