综述：功能梯度复合陶瓷的设计、制造、性能与应用

这篇综述系统阐述了功能梯度陶瓷（FGCs）在成分梯度设计、先进制备技术（如粉末冶金、增材制造）、性能优化机制（如相变增韧、纳米复合增韧）及航空航天、生物医学等领域的应用突破，为解决陶瓷材料强度-韧性（strength-toughness tradeoff）矛盾提供了创新思路。

　　

功能梯度陶瓷：打破强度-韧性的传统桎梏

设计原理

功能梯度陶瓷（FGCs）通过空间梯度变化的成分、相或微观结构（如晶粒尺寸、孔隙率），实现性能的连续或离散调控。其设计涵盖结构设计（离散/连续梯度）、应力设计（表面残余压应力）和成分设计（强/弱界面），计算机辅助设计（CAD）的引入显著提升了设计精度。例如，氧化锆（ZrO₂
）的t→m相变增韧机制通过裂纹尖端应力诱导相变实现能量耗散。

先进制备技术

粉末冶金仍是主流工艺，而增材制造（AM）等新技术可实现复杂梯度结构。火花等离子烧结（SPS）和热等静压（HIP）能抑制晶粒生长，提升致密度。碳纳米管（CNT）和石墨烯（MLG）的界面工程通过裂纹偏转和分支显著增强韧性，如氧化铝（Al₂
O₃
）中定向排列的多壁碳纳米管（MWCNTs）使断裂韧性提升40%。

性能与机制

梯度结构通过热膨胀系数（CTE）梯度诱导残余压应力，缓解热震失效。金属-陶瓷FGCs（如Mo-SiC）结合金属的高导热和陶瓷的耐高温性；陶瓷-陶瓷FGCs（如Al₂
O₃
-ZrO₂
）通过纳米SiC分散实现强度-韧性协同。生物医学领域，梯度羟基磷灰石（HA）植入体可模拟骨组织的力学梯度，降低临床断裂风险。

挑战与展望

当前瓶颈在于梯度界面的精确控制和大尺寸制备。未来需开发多尺度模拟工具预测性能，并拓展多维梯度设计（如电磁-热力耦合梯度）。功能梯度石墨烯陶瓷和仿生层状结构或将成为下一代超强韧材料的研究热点。