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梯度功能材料應(yīng)用背景和趨勢(shì)

梯度功能材料（Functionally Gradient Materials, FGM）是基于一種全新的材料設(shè)計(jì)概念而開發(fā)的新型功能材料。由于材料構(gòu)成要素(成分、組織結(jié)構(gòu)等)在幾何空間上連續(xù)變化，從而得到性能在幾何空間上也是連續(xù)變化的非均質(zhì)材料，在復(fù)雜環(huán)境下使用時(shí)，要比性能均勻的材料更具優(yōu)勢(shì)。FGM最初的目的是解決高性能航空航天飛行器對(duì)超高溫材料的需求，通過梯度化結(jié)合金屬和超耐熱陶瓷來適應(yīng)極端溫度變化，以解決航天飛機(jī)的熱保護(hù)問題。

▲FGM在飛行器的應(yīng)用 @網(wǎng)絡(luò)

目前，F(xiàn)GM材料研究還處于基礎(chǔ)性研究階段，主要集中在材料設(shè)計(jì)、制備和材料性能評(píng)價(jià)三方面。梯度功能材料的設(shè)計(jì)一般采用逆設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即根據(jù)使用條件對(duì)材料的組成和結(jié)構(gòu)梯度分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。梯度功能材料的制備過程需嚴(yán)格控制濃度、流量、溫度及應(yīng)力等參數(shù)，因此工藝相當(dāng)復(fù)雜。而FGM的應(yīng)用也不再局限于航空工業(yè)，已擴(kuò)大到核能源、電子、光學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。

▲FGM的主要應(yīng)用領(lǐng)域 @網(wǎng)絡(luò)

FGM的顯著特點(diǎn)是克服了兩種材料結(jié)合部位的性能不匹配因素，實(shí)現(xiàn)了材料兩側(cè)具有不同的功能，能有效防止在高溫或溫差變化大的環(huán)境下產(chǎn)生突變的熱應(yīng)力，減少對(duì)核心裝置的影響。FGM已成為國際材料科學(xué)研究的前沿課題，日本科技部早在1987年就批準(zhǔn)了一個(gè)為期五年的關(guān)于FGM的研究項(xiàng)目，用了20年左右的時(shí)間就迅速在世界梯度功能材料的生產(chǎn)和應(yīng)用研究領(lǐng)域占據(jù)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(guān)鍵技術(shù)核心來實(shí)施，投入了大量的資金和人力，并在梯度功能材料領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，處于世界領(lǐng)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(lián)合體也正在對(duì)FGM進(jìn)行研究。梯度功能材料因其獨(dú)特的性能和廣泛的應(yīng)用前景，其組成已經(jīng)由最初的金屬-陶瓷，發(fā)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(yù)計(jì)成為材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。

梯度功能材料3D打印技術(shù)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

梯度功能材料3D打印技術(shù)是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，它允許在打印過程中實(shí)現(xiàn)材料成分和結(jié)構(gòu)的連續(xù)梯度變化。目前可用于制造梯度功能材料的3D打印技術(shù)主要有選區(qū)激光融化/燒結(jié)、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(shù)在梯度功能材料上的應(yīng)用特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

梯度功能材料3D打印的特點(diǎn)

• 精準(zhǔn)成分與結(jié)構(gòu)雙重梯度：可充分利用3D打印逐層成型的特點(diǎn)，精準(zhǔn)控制材料的成分梯度和結(jié)構(gòu)梯度變化；

• 設(shè)計(jì)自由度高：3D打印不再受應(yīng)用結(jié)構(gòu)的限制，可根據(jù)使用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)高度適配的復(fù)雜梯度功能結(jié)構(gòu)件；

• 材料兼容性強(qiáng)：根據(jù)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(yīng)用拓展；

• 快速開發(fā)迭代：3D打印成型工藝相對(duì)傳統(tǒng)方法相對(duì)簡(jiǎn)單，可快速制備和認(rèn)證梯度功能新材料，加速科研項(xiàng)目的研發(fā)；

近幾年，隨著3D打印技術(shù)發(fā)展的逐步深入，在梯度功能材料的應(yīng)用上也有著長(zhǎng)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(shù)，能夠在打印過程中改變墨水混合比例，以傳統(tǒng)制造方法無法實(shí)現(xiàn)的方式生產(chǎn)材料；青島理工大學(xué)和西安交通大學(xué)提出了一種基于多材料3D打印和約束犧牲層連續(xù)功能梯度材料-結(jié)構(gòu)一體化制造新工藝，實(shí)現(xiàn)了聚合物基連續(xù)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(fā)了全新的三螺桿雙組份單噴嘴系統(tǒng)，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(jī)，標(biāo)志著國產(chǎn)技術(shù)在該領(lǐng)域的重要突破；中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院納米調(diào)控與生物力學(xué)研究中心團(tuán)隊(duì)在3D打印功能梯度數(shù)字材料取得重大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了單一樹脂打印具有高分辨率、廣泛可調(diào)復(fù)雜力學(xué)梯度的功能梯度數(shù)字材料。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，預(yù)期3D打印技術(shù)在梯度功能材料領(lǐng)域展現(xiàn)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(yīng)用進(jìn)展

升華三維自發(fā)布最新開發(fā)的梯度功能材料打印法及設(shè)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(fā)應(yīng)用。目前已助力多個(gè)科研高校實(shí)現(xiàn)梯度功能材料的制備。

▲3D打印的金屬-陶瓷梯度功能材料結(jié)構(gòu)樣品 @升華三維

基于粉末擠出打?。≒EP）技術(shù)的梯度功能材料打印法，采用了升華三維自主研發(fā)的三螺桿雙組份單噴嘴系統(tǒng)，通過三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)成分比例、混合與擠出材料組份的實(shí)時(shí)調(diào)控?？刂祁w粒材料按梯度設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)控混合打印成型，可實(shí)現(xiàn)材料的梯度連續(xù)性變化。該技術(shù)與傳統(tǒng)粉末冶金法形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，具有設(shè)計(jì)自由度高、工序簡(jiǎn)單、設(shè)備及材料成本低等優(yōu)勢(shì)，且可直接使用粉末冶金法的燒結(jié)等后處理工藝，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)梯度層的復(fù)雜幾何塊狀功能梯度材料的制備。

▲FGM粉末擠出3D打印技術(shù)原理示意圖 @升華三維

除了具有3D打印技術(shù)本身的優(yōu)點(diǎn)外，還有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

PEP技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

• 連續(xù)梯度性：采用顆粒材料按梯度設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)控混合打印成型，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)梯度層的整體型功能梯度材料設(shè)計(jì)與制備；

• 工序成熟：可結(jié)合傳統(tǒng)粉末冶金的后處理工藝，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的梯度功能材料開發(fā)設(shè)計(jì)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(jìn)的擠出系統(tǒng)：開發(fā)了三螺桿雙組份單噴嘴擠出系統(tǒng)，可通過配套的UPrsie 3D切片軟件自動(dòng)調(diào)控供料比例（10%-90%），實(shí)現(xiàn)材料成分的動(dòng)態(tài)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(tái)金屬/陶瓷梯度功能材料3D打印機(jī)，可通過不同階段實(shí)現(xiàn)成份比例、混合與擠出材料組份的實(shí)時(shí)調(diào)控。雙側(cè)給料系統(tǒng)根據(jù)組分設(shè)計(jì)要求，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)給料螺桿速度實(shí)現(xiàn)兩種喂料的成分控制；進(jìn)入預(yù)混料倉后，主螺桿擠出系統(tǒng)進(jìn)行均勻混合后并擠出至成型平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)梯度功能材料的打印成型。

▲金屬/陶瓷功能材料3D打印機(jī)UPR-241 @升華三維

該設(shè)備成型尺寸為180×240×160mm(W×D×H)，可滿足大部分科研及常規(guī)應(yīng)用，目前已有更大尺寸的梯度功能材料打印設(shè)備需求處于開發(fā)中。擠出系統(tǒng)小型化，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，配備有負(fù)壓吸附成型平臺(tái)，安裝拆卸便捷，取件方便；具有自動(dòng)進(jìn)料功能，可實(shí)現(xiàn)無人看守長(zhǎng)時(shí)間打印?？蔀榻饘?陶瓷梯度功能新材料的開發(fā)及產(chǎn)品制備，提供設(shè)計(jì)模擬和試驗(yàn)支持。

▲3D打印的金屬-陶瓷梯度功能材料結(jié)構(gòu)樣品 @升華三維

PEP技術(shù)具有前端材料開發(fā)和后處理工藝的高適配性，可大幅優(yōu)化梯度材料制備工藝和材料成本，為金屬/陶瓷梯度材料設(shè)計(jì)及制備工藝的開發(fā)提供創(chuàng)新性解決方案。

▲3D打印的鎢-銅梯度功能材料結(jié)構(gòu)樣品 @升華三維

3D打印梯度功能材料的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景

梯度功能材料作為一類高性能材料，其設(shè)計(jì)、制備和性能表征均涉及復(fù)雜的技術(shù)問題。這些因素共同制約了3D打印技術(shù)在梯度功能材料行業(yè)的快速發(fā)展。

• 在材料設(shè)計(jì)方面：需要深入研究材料的成分、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)梯度功能材料在不同環(huán)境下的最優(yōu)性能。然而，由于材料的復(fù)雜性和多樣性，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)仍然面臨諸多困難。

• 在制備工藝方面：3D打印機(jī)雖然能實(shí)現(xiàn)梯度功能材料的精確控制和快速制備，然而想要高標(biāo)準(zhǔn)的科研目的，還需要長(zhǎng)期的研究和實(shí)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(shí)現(xiàn)材料之間的合理結(jié)合，準(zhǔn)確評(píng)估其性能也成為了一個(gè)挑戰(zhàn)。

  
  

FGM因其獨(dú)特的性能，在航天、能源、生物醫(yī)學(xué)、國防軍工等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，F(xiàn)GM的需求將進(jìn)一步釋放，行業(yè)發(fā)展前景廣闊。3D打印能夠制造高度復(fù)雜的零件，是傳統(tǒng)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(nèi)外研發(fā)熱點(diǎn)之一。預(yù)計(jì)這一領(lǐng)域?qū)⒂瓉砀嗫蒲型黄坪蛻?yīng)用。