梯度結構功能材料也稱功能梯度材料(functionally graded materials，簡稱FGM)是指構成材料的要素(組成、結構)沿某一維度呈連續(xù)梯度變化，從而使材料的物理、化學和力學性能在空間上具有相應梯度變化的材料。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]。
結構材料常遇到一些較復雜的服役條件，有時會要求材料的性能隨構件中的位置而不同。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具有組成和顯微結構連續(xù)變化、適應環(huán)境和可設計性的特點，其應用已從航空航天拓展到核能、生物醫(yī)學、機械、石油化工、信息及建筑等諸多領域[3]。
1.1 天然梯度結構材料
天然生物材料歷經了長期的進化，其微結構和與之相對應的力學性能趨于最優(yōu)化，大都具有微觀復合、宏觀完美的結構，表現(xiàn)出優(yōu)異的強韌性及功能適應性。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構而表現(xiàn)出優(yōu)異的力學和生物性能，因此對人工梯度結構材料的制備有較強的指導作用[4~5]。
1.1.1 骨骼
人體和動物體的骨骼是典型的梯度結構。骨骼表面由骨膜組成，是一層堅韌的結締組織膜，覆蓋在骨的表面；內含有豐富的血管、神經和成骨細胞，對骨營養(yǎng)、再生和感覺有重要作用。骨質部分主要是細小膠原纖維微束連接成的網狀骨架和所沉積的片狀或針狀礦物質晶體的復合體。纖維微束的直徑通常為100~2000 nm，礦物質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。在整體結構上骨質部分具有明顯的梯度結構，主要包括骨密質和骨松質，各部分密度明顯不同。前者相對質地堅硬致密，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，分布于骨的內部。
骨密質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黏結。骨單位之間膠原纖維的取向、密度及孔隙率對骨密質的強度有很大影響。這種結構可以有效地增強骨的支持力，阻止裂紋的擴展。
骨松質內部結構是由板狀或棒狀的骨小梁相互交織構成的三維多孔網絡，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。這種結構不僅減輕了質量，且不影響強度[6~7]。
長骨的構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。中部是質地致密、抗壓、抗扭曲力強的骨密質。生物力學的分析表明，骨骼中應力大的區(qū)域正好是強度高的區(qū)域，即骨密質區(qū)域；而長骨兩端粗大，是呈海綿狀、疏松的骨質，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)調配合，粗大的端部有利于應力的傳遞，能更有效地發(fā)揮骨質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構，也不會引起應力的集中，如圖1-1所示[4~5]。
圖1-1 人體長骨結構示意圖
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