梯度功能材料應用背景和趨勢

梯度功能材料（Functionally Gradient Materials, FGM）是基于一種全新的材料設計概念而開發的新型功能材料。由于材料構成要素(成分、組織結構等)在幾何空間上連續變化，從而得到性能在幾何空間上也是連續變化的非均質材料，在復雜環境下使用時，要比性能均勻的材料更具優勢。FGM最初的目的是解決高性能航空航天飛行器對超高溫材料的需求，通過梯度化結合金屬和超耐熱陶瓷來適應極端溫度變化，以解決航天飛機的熱保護問題。

▲FGM在飛行器的應用 @網絡

目前，FGM材料研究還處于基礎性研究階段，主要集中在材料設計、制備和材料性能評價三方面。梯度功能材料的設計一般采用逆設計系統，即根據使用條件對材料的組成和結構梯度分布進行設計。梯度功能材料的制備過程需嚴格控制濃度、流量、溫度及應力等參數，因此工藝相當復雜。而FGM的應用也不再局限于航空工業，已擴大到核能源、電子、光學、化學、生物醫學工程等領域。

▲FGM的主要應用領域 @網絡

FGM的顯著特點是克服了兩種材料結合部位的性能不匹配因素，實現了材料兩側具有不同的功能，能有效防止在高溫或溫差變化大的環境下產生突變的熱應力，減少對核心裝置的影響。FGM已成為國際材料科學研究的前沿課題，日本科技部早在1987年就批準了一個為期五年的關于FGM的研究項目，用了20年左右的時間就迅速在世界梯度功能材料的生產和應用研究領域占據了非常重要的地位。而美國把梯度功能材料作為國防部的關鍵技術核心來實施，投入了大量的資金和人力，并在梯度功能材料領域取得了重大進展，處于世界領先地位。另外俄羅斯、德國，以及由瑞士、烏克蘭、芬蘭和英國組成的歐洲聯合體也正在對FGM進行研究。梯度功能材料因其獨特的性能和廣泛的應用前景，其組成已經由最初的金屬-陶瓷，發展到了金屬-合金、非金屬-非金屬、非金屬-陶瓷、高分子膜-高分子膜等多種組合，預計成為材料科學領域的一個重要發展方向。

梯度功能材料3D打印技術的特點及現狀

梯度功能材料3D打印技術是一種先進的制造技術，它允許在打印過程中實現材料成分和結構的連續梯度變化。目前可用于制造梯度功能材料的3D打印技術主要有選區激光融化/燒結、電子束熔化等粉末床熔融工藝；激光近凈成形、激光熔覆、激光金屬沉積等定向能量沉積工藝；及漿料擠出、粉末擠出等熔融擠出工藝。3D打印技術在梯度功能材料上的應用特點主要體現在：

梯度功能材料3D打印的特點

• 精準成分與結構雙重梯度：可充分利用3D打印逐層成型的特點，精準控制材料的成分梯度和結構梯度變化；

• 設計自由度高：3D打印不再受應用結構的限制，可根據使用場景，設計高度適配的復雜梯度功能結構件；

• 材料兼容性強：根據不同的成型工藝，可使用粉末、顆粒、漿料等類型材料，有利于梯度功能材料的應用拓展；

• 快速開發迭代：3D打印成型工藝相對傳統方法相對簡單，可快速制備和認證梯度功能新材料，加速科研項目的研發；

近幾年，隨著3D打印技術發展的逐步深入，在梯度功能材料的應用上也有著長足影響 。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術，能夠在打印過程中改變墨水混合比例，以傳統制造方法無法實現的方式生產材料；青島理工大學和西安交通大學提出了一種基于多材料3D打印和約束犧牲層連續功能梯度材料-結構一體化制造新工藝，實現了聚合物基連續功能梯度材料的全新制備；2024年深圳升華三維利用PEP打印法，研發了全新的三螺桿雙組份單噴嘴系統，推出了基于顆粒材料擠出的金屬/陶瓷功能梯度材料3D打印機，標志著國產技術在該領域的重要突破；中國科學院深圳先進技術研究院納米調控與生物力學研究中心團隊在3D打印功能梯度數字材料取得重大進展，實現了單一樹脂打印具有高分辨率、廣泛可調復雜力學梯度的功能梯度數字材料。隨著技術的不斷發展和進步，預期3D打印技術在梯度功能材料領域展現出更多潛力。

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

粉末擠出3D打印梯度功能材料應用進展

升華三維自發布最新開發的梯度功能材料打印法及設備UPR-241以來，一直在深化其在不同金屬、陶瓷的梯度功能研發應用。目前已助力多個科研高校實現梯度功能材料的制備。

▲3D打印的金屬-陶瓷梯度功能材料結構樣品 @升華三維

基于粉末擠出打印（PEP）技術的梯度功能材料打印法，采用了升華三維自主研發的三螺桿雙組份單噴嘴系統，通過三個階段實現成分比例、混合與擠出材料組份的實時調控。控制顆粒材料按梯度設計自動調控混合打印成型，可實現材料的梯度連續性變化。該技術與傳統粉末冶金法形成優勢互補，具有設計自由度高、工序簡單、設備及材料成本低等優勢，且可直接使用粉末冶金法的燒結等后處理工藝，能實現連續梯度層的復雜幾何塊狀功能梯度材料的制備。

▲FGM粉末擠出3D打印技術原理示意圖 @升華三維

除了具有3D打印技術本身的優點外，還有其獨特的優勢：

PEP技術的獨特優勢

• 連續梯度性：采用顆粒材料按梯度設計自動調控混合打印成型，可實現連續梯度層的整體型功能梯度材料設計與制備；

• 工序成熟：可結合傳統粉末冶金的后處理工藝，適用于復雜結構的梯度功能材料開發設計與制備；

• 兼容PIM材料：支持金屬-陶瓷、陶瓷-陶瓷、金屬-金屬不同種類的梯度功能材料，可適配PIM工藝所使用的粉末材料；

• 先進的擠出系統：開發了三螺桿雙組份單噴嘴擠出系統，可通過配套的UPrsie 3D切片軟件自動調控供料比例（10%-90%），實現材料成分的動態或等比例梯度層的梯度變化；

  
  

UPR-241作為升華三維推出的首臺金屬/陶瓷梯度功能材料3D打印機，可通過不同階段實現成份比例、混合與擠出材料組份的實時調控。雙側給料系統根據組分設計要求，實時自動調節給料螺桿速度實現兩種喂料的成分控制；進入預混料倉后，主螺桿擠出系統進行均勻混合后并擠出至成型平臺，從而實現復雜結構梯度功能材料的打印成型。

▲金屬/陶瓷功能材料3D打印機UPR-241 @升華三維

該設備成型尺寸為180×240×160mm(W×D×H)，可滿足大部分科研及常規應用，目前已有更大尺寸的梯度功能材料打印設備需求處于開發中。擠出系統小型化，設備結構緊湊，配備有負壓吸附成型平臺，安裝拆卸便捷，取件方便；具有自動進料功能，可實現無人看守長時間打印。可為金屬/陶瓷梯度功能新材料的開發及產品制備，提供設計模擬和試驗支持。

▲3D打印的金屬-陶瓷梯度功能材料結構樣品 @升華三維

PEP技術具有前端材料開發和后處理工藝的高適配性，可大幅優化梯度材料制備工藝和材料成本，為金屬/陶瓷梯度材料設計及制備工藝的開發提供創新性解決方案。

▲3D打印的鎢-銅梯度功能材料結構樣品 @升華三維

3D打印梯度功能材料的挑戰和發展前景

梯度功能材料作為一類高性能材料，其設計、制備和性能表征均涉及復雜的技術問題。這些因素共同制約了3D打印技術在梯度功能材料行業的快速發展。

• 在材料設計方面：需要深入研究材料的成分、結構和性能之間的關系，以實現梯度功能材料在不同環境下的最優性能。然而，由于材料的復雜性和多樣性，這一目標的實現仍然面臨諸多困難。

• 在制備工藝方面：3D打印機雖然能實現梯度功能材料的精確控制和快速制備，然而想要高標準的科研目的，還需要長期的研究和實踐。

• 在性能表征方面：由于梯度功能材料的性能受材料成分、材料種類、性能要素等多種因素影響，如何實現材料之間的合理結合，準確評估其性能也成為了一個挑戰。

  
  

FGM因其獨特的性能，在航天、能源、生物醫學、國防軍工等多個領域展現出廣泛的應用潛力。隨著3D打印技術的發展和應用領域的擴展，FGM的需求將進一步釋放，行業發展前景廣闊。3D打印能夠制造高度復雜的零件，是傳統制造工藝的最佳替代方案，利用增材制造梯度功能材料已成為國內外研發熱點之一。預計這一領域將迎來更多科研突破和應用。