梯度结构功能材料也称功能梯度材料(functionally graded materials，简称FGM)是指构成材料的要素(组成、结构)沿某一维度呈连续梯度变化，从而使材料的物理、化学和力学性能在空间上具有相应梯度变化的材料。它可分为成分梯度材料、晶粒度梯度材料和相成分梯度材料等[1~2]。
结构材料常遇到一些较复杂的服役条件，有时会要求材料的性能随构件中的位置而不同。例如，一把厨房用刀只需其刃部坚硬；而在其他地方，用于制造它的材料则必须具有高强度和韧性。同样，一个齿轮轮体必须有好的韧性，而其表面则必须坚硬和耐磨。涡轮叶片的主体必须具有高强度、高韧性和抗蠕变的特性，而它的外表面必须耐热和抗氧化。功能梯度材料在一个构件中引入显微组织与成分的逐渐变化，可以满足在该部件中不同位置上不同的性能要求，进而使该部件的服役性能整体上获得最佳效果。由于FGM具有组成和显微结构连续变化、适应环境和可设计性的特点，其应用已从航空航天拓展到核能、生物医学、机械、石油化工、信息及建筑等诸多领域[3]。
1.1 天然梯度结构材料
天然生物材料历经了长期的进化，其微结构和与之相对应的力学性能趋于最优化，大都具有微观复合、宏观完美的结构，表现出优异的强韧性及功能适应性。例如，骨骼、皮肤、贝壳、竹子等生物材料由于其呈梯度分布的结构而表现出优异的力学和生物性能，因此对人工梯度结构材料的制备有较强的指导作用[4~5]。
1.1.1 骨骼
人体和动物体的骨骼是典型的梯度结构。骨骼表面由骨膜组成，是一层坚韧的结缔组织膜，覆盖在骨的表面；内含有丰富的血管、神经和成骨细胞，对骨营养、再生和感觉有重要作用。骨质部分主要是细小胶原纤维微束连接成的网状骨架和所沉积的片状或针状矿物质晶体的复合体。纤维微束的直径通常为100~2000 nm，矿物质晶体主要是羟基磷灰石，厚度为1.5~5 nm，宽度约为20 nm，长度通常为20~60 nm，平行于胶原纤维沉积在胶原骨架上。在整体结构上骨质部分具有明显的梯度结构，主要包括骨密质和骨松质，各部分密度明显不同。前者相对质地坚硬致密，分布于骨的表层；后者呈海绵状，由许多片状的骨小梁交织而成，分布于骨的内部。
骨密质由与骨干方向平行的圆柱形的骨单元组成。骨单元的中间是哈弗斯管，由骨内膜平行排列组成。哈弗斯管周围是以同心圆的方式排列的胶原纤维层状骨板。骨单位之间由无定形的基质黏结。骨单位之间胶原纤维的取向、密度及孔隙率对骨密质的强度有很大影响。这种结构可以有效地增强骨的支持力，阻止裂纹的扩展。
骨松质内部结构是由板状或棒状的骨小梁相互交织构成的三维多孔网络，孔中充满骨髓组织，每个骨小梁由平行薄片状的胶原纤维组成。这种结构不仅减轻了质量，且不影响强度[6~7]。
长骨的构造特点是两端粗大而中部细长，是一种管形骨。骨干部分细长，其截面积近似为圆形，骨干是空心的，中段壁厚约为直径的1/5。中部是质地致密、抗压、抗扭曲力强的骨密质。生物力学的分析表明，骨骼中应力大的区域正好是强度高的区域，即骨密质区域；而长骨两端粗大，是呈海绵状、疏松的骨质，其作用一方面是在受压时减缓压力的冲击，另一方面是通过与韧带、肌肉组织的协调配合，粗大的端部有利于应力的传递，能更有效地发挥骨质致密的中段骨的承力作用。同时这种从骨端圆滑过渡到长骨中部的结构，也不会引起应力的集中，如图1-1所示[4~5]。
图1-1 人体长骨结构示意图
