材料及其发展是人类社会进程的重要标志，材料的种类和水平，是人类社会进化的里程碑。几千年来，从石器时代到铁器时代，再到现在的合成材料时代，材料与人类社会的发展息息相关，人类对于材料的认识和利用能力也决定了社会的形态和技术发展的水平。 

张联盟 

　　随着社会的不断进步，人类不断地向材料提出从单一走向复合的新要求，这也成为材料科学科研工作者们的探索方向。近日，在山东青岛召开的2021年世界海洋科技大会上，中国工程院院士、武汉理工大学教授张联盟指出，目前针对复合材料的研究正从均匀复合走向梯度复合，梯度材料这一全新的概念及其应用将为突破卡脖子技术和国防关键技术起到非常重要的作用。 

　　梯度材料：一种更加灵活的复合材料 

　　在材料的世界中，单一材料非常重要。其高强高韧、耐腐蚀，耐温、减振的特性一直以来备受关注，而随着现代科技的运用场景不断提出超强化、智能化、生命化、超构化的要求，如何让单一材料更好地发挥它的特性？ 

　　张联盟指出，答案便是从单一走向复合。复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。复合类的基本手法是基元选择，一般通过目标设计、性能互补，调控比例布局等实现。“比如金属陶瓷的颗粒复合，聚合物和纤维的复合，有机、无机的复合，金属制剂的复合等都是十分具有代表性的复合材料。”张联盟介绍道。复合材料创新包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用，重点要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。 

　　长期以来，材料界运用均匀复合技术实现了材料结构、功能的一体化效应。但在新的技术应用中，均匀复合技术的弊端渐露，而基于组成、结构、形态随着空间、时间呈有规律变化的梯度复合技术逐渐走到了材料科学家的面前。 

　　事实上，梯度这一概念并非横空出世。无论是在自然界，还是历史中，都能够找到它的身影。在自然界中，有一种布满了维管束的柱壁，它针对不同方面的性能能够产生一个连续的变化。“这是一种典型的植物梯度，”张联盟说道，“梯度还隐藏在老祖宗的智慧中，越王勾践的剑便是例子。”这把剑在两千余年前的铸造过程中，就考虑到了表基的硬度变化，并在此基础上设计了不同的防锈方案和光泽性能。 

　　近代科学史中，美国、德国、日本等先进国家都先后运用了这个思想。而到了1987年，梯度复合这一思想在日本得到了真正的概念化、理论化。1984年，在日本挑战航天飞机设计过程中，航天飞机往返机在大气中飞行，表层材料承受很大的辐射，因此航天飞机不得不承受极大的高温和热蚀。在此情况下，单一材料和普通复合材料在强度和熔点两个层面都面临极大挑战，这时他们考虑在高温部分用陶瓷、低温部分用金属这一策略，便达到了防热蚀与可冷却的双重目的，并在此基础上进一步提出了陶瓷和金属根据优化、布局来设计，避免了实际操作中因迥异的材料而产生的热蚀。 

　　严格意义上讲，梯度材料应该称作“梯度功能复合材料”，又称“倾斜功能材料”。古人很早就根据这种思路来炼铁，在日本出土的一把剑刃上，可以看到剑锋、刃部和主体的颜色是不同的，这说明成分也不同。大自然早就把这个概念引入生物组织中了，例如动物的骨头就是一种梯度结构，外部坚韧，内部疏松多孔。厨房使用的一把菜刀刃部需要硬度高的材料，而其他部位的材料则应该具有高强度和韧性。当代高新技术的飞跃发展，引起材料科学领域内的不断变革，使得各种适应高新技术发展的新材料应运而生。梯度材料正是适应了这种需要，成为材料领域绽开的一朵新葩。 

　　与传统复合材料相比功能梯度材料（FGM）有四项优势，一是能够将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料, 可以大大地提高粘结强度；二是将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力；三是将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性；四是用FGM代替传统的均匀材料涂层, 既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。 

　　不难看出，梯度材料作为复合材料界的新星，设计灵活，能够更好适应当代的技术要求。 

　　基元和序构，梯度效应系统化与理论化的两个抓手 

　　事实上，尽管日本科学家采用的该种缓和手段非常有效，但同时作用也非常有限。梯度效应从原始到现在，它的一些功能已经发生了巨大的变化，研制梯度复合材料，是我国先进制造发展的需求，也是国家农业和国家安全的需求。 

　　张联盟指出：“最近热度较高的是超材料。”超材料主要以基元和序构表达它的梯度效应，实际上这一概念早在1966年就被提出，“我的理解是在其他的功能材料上下工夫，更重要的是将它的序构在空间排布进行排列，产生一些新的梯度材料，梯度效应实际上就是基于基元和序构一致发展起来的。”张联盟说。 

　　超材料指的是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。对于超材料的初步研究是负折射率超材料。超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景，从高接收率天线到雷达反射罩甚至包括地震预警。 

　　超材料是一个跨学科的课题，囊括电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等。 

　　材料的布局不同、方向不同，都会带来截然不同的效果，而如何模式化、理论化、有规律地认识和运用这种组成和结构变化是一个新的问题，需要有目的地对它进行设计。超材料的设计思想是新颖的，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。 

　　在张联盟看来，梯度效应也应当从基元和序构来入手认识，梯度包括基元、序构。基元又分为组分和结构基元，结构基元在不同的空间中，性能也是不一样的，也就是说其抗冲击强度也不一样。除此之外，基元不仅包括组分与结构，序构也分为组分和结构。如何弄清组分、结构的特征，它的模型又如何搭建？ 

　　“我们采用组分来调整它的基元，”张联盟介绍道，“在结构上对其进行调整，调整后局部性能和连接性能、界面性能都会发生很大的变化。”在设计过程中，应该坚持以功能为导向，根据不同的功能目标对标使用对称性或多尺度的空间构建模型。这一理论化、模型化的过程，就是给材料的发展不断赋予生命力的过程。 

　　目前，梯度材料的研究主要集中于材料的设计、制备和评价三个方面。 

　　关于设计：梯度功能材料的设计特色在于设计与材料的合成手段紧密结合，并借助于计算机辅助设计专家系统，得出接近于实际的结果。关于制备材料的性能取决于体系选择及内部结构。对梯度功能材料必须采取有效的制备技术来保证材料的设计。目前，已开发的梯度材料制备方法主要有化学气相沉积法、物理蒸发法、等离子喷涂法、颗粒梯度排列法、自蔓延高温合成法、液膜直接成法及薄膜浸渗成型法等。 

　　关于评价：对梯度功能材料性能评价，目前国内外尚没有统一的标准，由于使用目的、使用环境、制备方法等的不同，可能有不同的评价方法。例如对等离子喷涂法制备的梯度材料，参照等离子喷涂的有关标准，可进行结合强度、热冲击性、隔热性以及耐热性等性能评价。 

　　目前，张联盟团队已经进行了一些梯度材料的实践。事实上，所有工程机械在现实的气象环境下，所呈现的性能与书上性能表里写的完全不同。比如有的惯用在特殊废气物上的材料就常常面临无法用性能表解释的情况，这为无气材料加温制造了一个难题。 

　　根据实验设想，无气设计的材料通过动感加载到高温上，再引爆炸弹，接着用气温高压，但整个过程中的大小和它的加速速度并不能达到理想效果，“这时运用材料的梯度化就能解决这个问题”。通过将材料进行梯度话设计，在多气泡的情况下，实现了材料加载的过程。进一步观察波阻，它的密度从低到高，变化与压力一致。“这得益以我们对基本原理做的扎实工作，了解波长的特性，从而精准找到压力。” 

　　下一步，张联盟指出将进一步关注梯度材料技术的强化，并重视模型和方法的实施转化，从而更好地为解决国家“卡脖子”技术助力。