梯度功能材料应用背景和趋势

梯度功能材料（Functionally Gradient Materials, FGM）是基于一种全新的材料设计概念而开发的新型功能材料。由于材料构成要素(成分、组织结构等)在几何空间上连续变化，从而得到性能在几何空间上也是连续变化的非均质材料，在复杂环境下使用时，要比性能均匀的材料更具优势。FGM最初的目的是解决高性能航空航天飞行器对超高温材料的需求，通过梯度化结合金属和超耐热陶瓷来适应极端温度变化，以解决航天飞机的热保护问题。

▲FGM在飞行器的应用 @网络

目前，FGM材料研究还处于基础性研究阶段，主要集中在材料设计、制备和材料性能评价三方面。梯度功能材料的设计一般采用逆设计系统，即根据使用条件对材料的组成和结构梯度分布进行设计。梯度功能材料的制备过程需严格控制浓度、流量、温度及应力等参数，因此工艺相当复杂。而FGM的应用也不再局限于航空工业，已扩大到核能源、电子、光学、化学、生物医学工程等领域。

▲FGM的主要应用领域 @网络

FGM的显著特点是克服了两种材料结合部位的性能不匹配因素，实现了材料两侧具有不同的功能，能有效防止在高温或温差变化大的环境下产生突变的热应力，减少对核心装置的影响。FGM已成为国际材料科学研究的前沿课题，日本科技部早在1987年就批准了一个为期五年的关于FGM的研究项目，用了20年左右的时间就迅速在世界梯度功能材料的生产和应用研究领域占据了非常重要的地位。而美国把梯度功能材料作为国防部的关键技术核心来实施，投入了大量的资金和人力，并在梯度功能材料领域取得了重大进展，处于世界领先地位。另外俄罗斯、德国，以及由瑞士、乌克兰、芬兰和英国组成的欧洲联合体也正在对FGM进行研究。梯度功能材料因其独特的性能和广泛的应用前景，其组成已经由最初的金属-陶瓷，发展到了金属-合金、非金属-非金属、非金属-陶瓷、高分子膜-高分子膜等多种组合，预计成为材料科学领域的一个重要发展方向。

梯度功能材料3D打印技术的特点及现状

梯度功能材料3D打印技术是一种先进的制造技术，它允许在打印过程中实现材料成分和结构的连续梯度变化。目前可用于制造梯度功能材料的3D打印技术主要有选区激光融化/烧结、电子束熔化等粉末床熔融工艺；激光近净成形、激光熔覆、激光金属沉积等定向能量沉积工艺；及浆料挤出、粉末挤出等熔融挤出工艺。3D打印技术在梯度功能材料上的应用特点主要体现在：

梯度功能材料3D打印的特点

• 精准成分与结构双重梯度：可充分利用3D打印逐层成型的特点，精准控制材料的成分梯度和结构梯度变化；

• 设计自由度高：3D打印不再受应用结构的限制，可根据使用场景，设计高度适配的复杂梯度功能结构件；

• 材料兼容性强：根据不同的成型工艺，可使用粉末、颗粒、浆料等类型材料，有利于梯度功能材料的应用拓展；

• 快速开发迭代：3D打印成型工艺相对传统方法相对简单，可快速制备和认证梯度功能新材料，加速科研项目的研发；

近几年，随着3D打印技术发展的逐步深入，在梯度功能材料的应用上也有着长足影响 。2023年《Science》和《Nature》正刊上的九篇文章中提到了3D打印科研突破，其中包括梯度材料的高通量打印技术，能够在打印过程中改变墨水混合比例，以传统制造方法无法实现的方式生产材料；青岛理工大学和西安交通大学提出了一种基于多材料3D打印和约束牺牲层连续功能梯度材料-结构一体化制造新工艺，实现了聚合物基连续功能梯度材料的全新制备；2024年深圳升华三维利用PEP打印法，研发了全新的三螺杆双组份单喷嘴系统，推出了基于颗粒材料挤出的金属/陶瓷功能梯度材料3D打印机，标志着国产技术在该领域的重要突破；中国科学院深圳先进技术研究院纳米调控与生物力学研究中心团队在3D打印功能梯度数字材料取得重大进展，实现了单一树脂打印具有高分辨率、广泛可调复杂力学梯度的功能梯度数字材料。随着技术的不断发展和进步，预期3D打印技术在梯度功能材料领域展现出更多潜力。

▲《High-throughput printing ofcombinatorial materials from aerosols》 @《Nature》

粉末挤出3D打印梯度功能材料应用进展

升华三维自发布最新开发的梯度功能材料打印法及设备UPR-241以来，一直在深化其在不同金属、陶瓷的梯度功能研发应用。目前已助力多个科研高校实现梯度功能材料的制备。

▲3D打印的金属-陶瓷梯度功能材料结构样品 @升华三维

基于粉末挤出打印（PEP）技术的梯度功能材料打印法，采用了升华三维自主研发的三螺杆双组份单喷嘴系统，通过三个阶段实现成分比例、混合与挤出材料组份的实时调控。控制颗粒材料按梯度设计自动调控混合打印成型，可实现材料的梯度连续性变化。该技术与传统粉末冶金法形成优势互补，具有设计自由度高、工序简单、设备及材料成本低等优势，且可直接使用粉末冶金法的烧结等后处理工艺，能实现连续梯度层的复杂几何块状功能梯度材料的制备。

▲FGM粉末挤出3D打印技术原理示意图 @升华三维

除了具有3D打印技术本身的优点外，还有其独特的优势：

PEP技术的独特优势

• 连续梯度性：采用颗粒材料按梯度设计自动调控混合打印成型，可实现连续梯度层的整体型功能梯度材料设计与制备；

• 工序成熟：可结合传统粉末冶金的后处理工艺，适用于复杂结构的梯度功能材料开发设计与制备；

• 兼容PIM材料：支持金属-陶瓷、陶瓷-陶瓷、金属-金属不同种类的梯度功能材料，可适配PIM工艺所使用的粉末材料；

• 先进的挤出系统：开发了三螺杆双组份单喷嘴挤出系统，可通过配套的UPrsie 3D切片软件自动调控供料比例（10%-90%），实现材料成分的动态或等比例梯度层的梯度变化；

  
  

UPR-241作为升华三维推出的首台金属/陶瓷梯度功能材料3D打印机，可通过不同阶段实现成份比例、混合与挤出材料组份的实时调控。双侧给料系统根据组分设计要求，实时自动调节给料螺杆速度实现两种喂料的成分控制；进入预混料仓后，主螺杆挤出系统进行均匀混合后并挤出至成型平台，从而实现复杂结构梯度功能材料的打印成型。

▲金属/陶瓷功能材料3D打印机UPR-241 @升华三维

该设备成型尺寸为180×240×160mm(W×D×H)，可满足大部分科研及常规应用，目前已有更大尺寸的梯度功能材料打印设备需求处于开发中。挤出系统小型化，设备结构紧凑，配备有负压吸附成型平台，安装拆卸便捷，取件方便；具有自动进料功能，可实现无人看守长时间打印。可为金属/陶瓷梯度功能新材料的开发及产品制备，提供设计模拟和试验支持。

▲3D打印的金属-陶瓷梯度功能材料结构样品 @升华三维

PEP技术具有前端材料开发和后处理工艺的高适配性，可大幅优化梯度材料制备工艺和材料成本，为金属/陶瓷梯度材料设计及制备工艺的开发提供创新性解决方案。

▲3D打印的钨-铜梯度功能材料结构样品 @升华三维

3D打印梯度功能材料的挑战和发展前景

梯度功能材料作为一类高性能材料，其设计、制备和性能表征均涉及复杂的技术问题。这些因素共同制约了3D打印技术在梯度功能材料行业的快速发展。

• 在材料设计方面：需要深入研究材料的成分、结构和性能之间的关系，以实现梯度功能材料在不同环境下的最优性能。然而，由于材料的复杂性和多样性，这一目标的实现仍然面临诸多困难。

• 在制备工艺方面：3D打印机虽然能实现梯度功能材料的精确控制和快速制备，然而想要高标准的科研目的，还需要长期的研究和实践。

• 在性能表征方面：由于梯度功能材料的性能受材料成分、材料种类、性能要素等多种因素影响，如何实现材料之间的合理结合，准确评估其性能也成为了一个挑战。

  
  

FGM因其独特的性能，在航天、能源、生物医学、国防军工等多个领域展现出广泛的应用潜力。随着3D打印技术的发展和应用领域的扩展，FGM的需求将进一步释放，行业发展前景广阔。3D打印能够制造高度复杂的零件，是传统制造工艺的最佳替代方案，利用增材制造梯度功能材料已成为国内外研发热点之一。预计这一领域将迎来更多科研突破和应用。