梯度結(jié)構(gòu)材料的制備方法很多，根據(jù)不同材料和不同結(jié)構(gòu)，人們開發(fā)了許多技術(shù)。根據(jù)Suresh的觀點(diǎn)，梯度結(jié)構(gòu)制備技術(shù)可分為構(gòu)造法和基于傳輸?shù)姆椒╗3]。

構(gòu)造法在原理上比較簡(jiǎn)單，是在空間比較精確地分布不同成分、結(jié)構(gòu)的組元，并采用某種方法使這些組元能夠緊密結(jié)合，具有一定的強(qiáng)度和功能。隨著計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)造法能夠在十幾微米的精度內(nèi)控制材料結(jié)構(gòu)。

基于傳輸?shù)姆椒▌t是根據(jù)一些科學(xué)現(xiàn)象，在材料中自然形成梯度，例如利用熱擴(kuò)散、物質(zhì)擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)、物質(zhì)的宏觀遷移等規(guī)律，造成與時(shí)間相關(guān)的材料濃度、結(jié)構(gòu)的連續(xù)變化。如果說構(gòu)造法所形成的梯度是臺(tái)階式的話，基于傳輸法則是光滑函數(shù)。

1.3.1 構(gòu)造法

1. 粉末冶金法制造梯度結(jié)構(gòu)材料

粉末冶金是指以金屬或者陶瓷粉末為原料，通過固結(jié)成形和高溫致密化，實(shí)現(xiàn)粉末顆粒之間的冶金結(jié)合和消除孔隙，從而制備成具有一定形狀尺寸和強(qiáng)度的塊體。相對(duì)于熔煉方法，粉末冶金方法在成分設(shè)計(jì)、組元空間分布和近型成形方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。例如，在高溫下互不相溶的金屬與金屬、金屬與陶瓷、陶瓷與陶瓷顆粒能夠很方便地通過粉末形式混合在一起。在組元的空間分布方面，通過手工或者計(jì)算機(jī)控制每一層粉末的厚度和原料成分，很容易實(shí)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，梯度的大小和精度取決于每一層粉末的厚度[25~26]。

分層鋪粉法制備梯度結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1-12所示。

圖1-12 分層鋪粉法制備梯度結(jié)構(gòu)材料示意圖

如圖所示，將不同成分的粉末依次加入壓模后，加壓成形，然后按照一定的燒結(jié)制度進(jìn)行燒結(jié)，控制燒結(jié)工藝即可制備梯度結(jié)構(gòu)。

構(gòu)造法制備梯度結(jié)構(gòu)材料的關(guān)鍵是燒結(jié)工藝的控制。粉末冶金材料的強(qiáng)度取決于粉末顆粒之間的冶金結(jié)合以及孔隙的消除，也就是所謂的致密化。粉末致密化的驅(qū)動(dòng)力通常用燒結(jié)應(yīng)力來表示，實(shí)際上是粉末顆粒表面能的降低和物質(zhì)在高溫下的擴(kuò)散和流動(dòng)共同作用的結(jié)果。

燒結(jié)應(yīng)力是指使燒結(jié)體在燒結(jié)過程中沿某一軸向收縮剛好停止時(shí)必需的作用力，數(shù)值上恰好等于燒結(jié)體自身產(chǎn)生的收縮力，如圖1-13所示。燒結(jié)應(yīng)力一般包括粉末顆粒間的范德華力、靜電力、金屬鍵合力、電子作用力、本征拉普拉斯應(yīng)力及有液相存在時(shí)表面張力作用下的附加力。

圖1-13 燒結(jié)應(yīng)力示意圖