thumb|250px|Koncepcyjna budowa tworzywa gradientowego mogącego stanowić poszycie samolotów i statków kosmicznych. Rozkład faz został ukształtowany tak, aby zewnętrzne warstwy ceramiczne wystawione na działanie wysokich temperatur spełniały funkcje ciepłochronne dla wewnętrznych warstw metalicznych.
Tworzywa gradientowe (ang. Functionally Graded Materials- FGMs), są to materiały, w których wzdłuż co najmniej jednego określonego kierunku, uzyskano ciągłą zmianę właściwości użytkowych lub konstrukcyjnych w wybranym procesie technologicznymWrona F.: Ceramiczne tworzywa gradientowe otrzymywane specjalnymi technikami. Praca dyplomowa AGH, Kraków 2005.
Materiały te znane są od wielu stuleci, choć ich obecna nazwa pojawiła się niedawnoRabbe J., Puff Z., Bobryk E.: Mullit z gradientem funkcjonalnym. Ceramika 50, Prace Komisji Nauk Ceramicznych o/PAN Kraków, Biuletyn Polskiego Towarzystwa Ceramicznego, Kraków 1996. W połowie lat osiemdziesiątych XX wieku, poszukiwano w Japonii tworzywa mogącego stanowić poszycie konstrukcji kosmicznych i lotniczych. Najważniejszym warunkiem, który ten materiał musiał spełniać, była redukcja naprężeń cieplnych wynikających z pracy elementu w gradiencie temperatury rzędu 1300 °C. Dodatkowo wewnątrz kompozytu, przewidziano rozmieszczenie włókien mających za zadanie odprowadzić ciepło, powstające podczas pracy elementu, poza strefę robocząKoizumi M., Nino M.: Overview of FGM Research In Japan. MRS Bull. 20 (1995) 19-21Koizumi M.: Recent progress of functionally gradient materials in Japan. Ceram. Eng. Sci. Proc. 13 (1992) 333-347. Zrealizowanie tego celu przez proste naniesienie jednego typu materiału na drugi nie jest łatwe, a ponadto gwałtowna zmiana parametru funkcjonalnego w niektórych zastosowaniach może być niekorzystna. Stopniowe, kontrolowane przejście pomiędzy właściwościami materiałów składowych, umożliwia w miarę pełną adaptację wyrobu do przewidywanych warunków jego eksploatacji. Pozwala to z kolei obniżyć koszty surowcowe oraz nakłady związane z utrzymaniem i konserwacją elementów konstrukcji. Konieczne jednak jest opracowanie ekonomicznego sposobu formowania tego typu tworzyw, decydującego o szerszych możliwościach ich stosowania. Poszukiwanie nowych i adaptacja już znanych technik, ze szczególnym naciskiem na metody niskonakładowe o wysokiej powtarzalności i wydajności, stanowi właśnie obecny kierunek rozwoju prac nad materiałami FGMsŁopaciński M.: Ceramiczne materiały gradientowe odporne na udar i ścieranie. Praca doktorska, AGH Kraków 2002Neubrand A., Rodel J.: Gradient Materials: An Overview of Novel Concept. Z. Metallkd 88 (1997) 358-371Kieback B., Neubrand A., Riedel J.: Processing techniques for functionally graded materials. Mater. Sci. Eng. 362A (2003).
Zastosowanie tworzyw gradientowych thumb|220px|Światłowody gradientowe zapewniają dla różnych modów tę samą prędkość rozchodzenia się fali świetlnej wzdłuż kabla, stąd trwają intensywne nad nimi prace badawcze (na zdjęciu przykład wiązki tradycyjnych włókien światłowodowych).
Możliwości wykorzystania tworzyw gradientowych w technice wydają się być prawie nieograniczone. Świadczyć może o tym ankieta przeprowadzona przez czasopismo FGM Forum w 1990 r., której wynikiem było około 200 propozycji możliwych zastosowań materiałów z przestrzennym gradientem właściwości, obejmujących aplikacje w przemyśle maszynowym, optycznym, energetycznym, a nawet zastosowania w fizyce jądrowej oraz medycynie.
Biomateriały Jednym z wielu obszarów potencjalnych zastosowań tworzyw z gradientem właściwości jest przemysł biomedyczny. Ceramika z gradientem porowatości, zaprojektowana na wzór żywej tkanki kostnej może służyć do wytwarzania implantów ortopedycznych w chirurgii kostnej. W literaturze można znaleźć także opisy implantów ortopedycznych wykonanych w układzie hydroksyapatyt/ tytan, w którym to bioaktywny hydroksyapatyt odpowiada za mocne połączenie z tkanką organiczną, zaś tytan stosowany jest w części implantu, w której pożądana jest duża stabilność mechanicznaWatari F., Yokoyama A., Omori M., Hirai T., Kondo H., Uo M., Kawasaki T.: Biocompatibility of materials and development graded implant for bio- medical application. Composites Sci. Tech. 64 (2004) 893- 908.
Części maszyn Również w przemyśle maszynowym tworzywa gradientowe mogą odegrać znaczącą role. Przykładem tu niech będzie technologia wytwarzania kół zębatych. Korpus takiego elementu powinien by odporny na obciążenia dynamiczne, natomiast jego powierzchnia musi być twarda i odporna na ścieranie. Obecnie realizuje się to poprzez nawęglanie powierzchni stalowych kół zębatych. Nowym, przyszłościowym rozwiązaniem jest wytworzenie kół zębatych w taki sposób by wewnętrzne warstwy były wykonane z metalu, natomiast warstwy zewnętrzne z twardej ceramiki- połączonej z metalem poprzez warstwy pośrednie.
Sensory thumb|220px|W silniku turboodrzutowym (na zdjęciu) w komorze spalania występują bardzo agresywne warunki dla pracy materiałów użytych do ich konstrukcji, stąd poszukuje się nowych typów tworzyw np. materiałów z gradientem właściwości. W oparciu o koncepcję tworzyw gradientowych powstał również pomysł budowy segmentowych półprzewodnikowych sensorów ciepła. Czujnik taki zbudowany jest z kilku modułów różniących się zależnościami temperaturowo-przewodnikowymi. Dzięki czemu można uzyskać element o wypadkowej charakterystyce prawie niezależnej od temperatury jego pracy, a zmiana przewodności elektrycznej wynika jedynie z ukształtowania profilu warstwy wierzchniej sensora, co pozwala na łatwe monitorowanie temperatury poprzez pomiar napięcia na elektrodach czujnika. Dodatkowo czujnik o takiej budowie może mieć wymiary rzędu kilku dziesiątych milimetra, co umożliwia z kolei jego "wszczepienie" do wnętrza diagnozowanego elementu np. komory spalania silnika odrzutowego. Zamontowany w ten sposób czujnik jest odporny na działanie agresywnego środowiska i ewentualne uszkodzenia mechaniczneMuller E., Drasar C., Schilz J., Kaysser W.A.: Functionally graded materials for sensor and energy applications. Mater. Sci. Eng. 362A (2003) 17- 39.
Aktywatory Kolejne zastosowanie tworzywa gradientowe mogą znaleźć jako piezoelektryczne elementy wzbudzające (ang. Piezoelectric actuator). Główną wadą zwykłych piezoelektrycznych elementów wzbudzających jest niska niezawodność, wynikająca z łączenia materiałów o odmiennych właściwościach piezoelektrycznych na drodze klejenia (najczęściej żywicą epoksydową). Właściwości warstwy łączącej sprawiają, iż w warunkach niskiej temperatury będzie ona pękać, a w wyższych temperaturach ulegać nadmiernemu pełzaniu. Stąd od wielu już lat trwają badania nad opracowaniem gradientowych piezoelektrycznych elementów wzbudzających w układzie materiałów PZT/ PNN, łączonych dyfuzyjnieZhu X., Xu J., Meng Z.: Interdiffusion reaction in the PZT/PNN fuctionally gradient piezoelectric ceramic materials. J. Mater. Sci. 33 (1998) 1023-1030.
Gradientowe elementy ogniw paliwowych W przypadku stałotlenkowych ogniw paliwowych (ang. Solid Oxide Fuel Cells- SOFCs), problemem jest zachowanie odpowiedniej trwałości ogniwa w wysokiej temperaturze pracy rzędu 950 °C, na skutek różnych współczynników rozszerzalności cieplnej poszczególnych jego elementów. Ogniwo takie zbudowane jest z katody wykonanej z (La, Sr)MnO3 oraz anody – cermet Ni/ZrO2, pomiędzy którymi znajduje się stały elektrolit (ZrO2 stabilizowany tlenkiem itru). Zastosowanie technologii materiałów FGMs, pozwala osiągnąć sprawność nawet o 40% większą w porównaniu do ogniwa paliwowego wykonanego w sposób "klasyczny".
Inne zastosowania Oprócz powyższych zastosowań tworzywa gradientowe mogą być stosowane jako: warstwy łączące materiały o odmiennych właściwościach, materiały na łopatki turbin, materiały na komory spalania silników odrzutowychSata N.: Fabrication of TiB2- Cu Based Functionally Gradient Materials by SHS Process. Ceram. Eng. Sci. Proc. 13 (1992) 356- 364, filtry o kontrolowanym gradiencie porowatości, materiały na narzędzia skrawające, elementy laserów półprzewodnikowych GRINSCH (ang. Graded- Index, Separate Confinent Heterostructure), soczewki i światłowody gradientowe, elementy pancerzy ochronnych, głowice do odwiertów głębinowych, materiały na bariery cieplne (ang.Thermal Barrier Coatings), elementy pomp piezoelektrycznych, warstwy odporne na ścieranie, materiały dla energetyki termojądrowej (projekt ITER- International Thermonuclear Experimental Reactor) i inne.
Metody formowania tworzyw gradientowych W technologii materiałów znanych jest wiele metod formowania, jednak nie każda z nich zapewnia, wymaganą dla materiałów wieloskładnikowych, jednorodność zagęszczenia, powtarzalność oraz wytrzymałość w stanie surowym i po spiekaniu otrzymanego elementu. Specjalne miejsce zajmują tu techniki formowania tworzyw z przestrzenną transformacją właściwości użytkowych. Metody te muszą umożliwiać kontrolowaną zmianę składu, gęstości itp. wzdłuż określonego kierunku w wyrobie. Dla osiągnięcia tego konieczne jest, aby już w fazie projektowania technologii wykonania, przewidziane było wytworzenie w tym samym czasie produktu o pożądanej mikro i makrostrukturze wraz z nadaniem mu odpowiedniego końcowego kształtu. Rozpatrując procesy zachodzące w trakcie formowania wyrobu, można wyróżnić: metody kolejnego nakładania warstw (natryskiwanie plazmowe, laminowanie folii ceramicznych itp.) metody wykorzystujące zjawiska segregacji, zachodzące w początkowo jednorodnym układzie na skutek przyłożenia zewnętrznych sił (osadzanie sedymentacyjne, osadzanie elektroforetyczne itp.) metody infiltracji (infiltracja porowatego preformu ciekłym metalem czy też jego infiltracja z fazy gazowej itp.)
Natryskiwanie plazmowe Jedną z wielu technik wytwarzania materiałów gradientowych jest natryskiwanie plazmowe. Metoda ta polega na wprowadzeniu w strumień plazmy, najczęściej proszkowego materiału, gdzie następuje jego nadtopienie (lub całkowite stopienie), po czym zostaje on z dużą prędkością naniesiony na podłoże. Istnieją przy tym dwie zasadnicze możliwości prowadzenia procesu natryskiwania. Pierwszy polega na wykorzystaniu jednego palnika, do którego wprowadzana jest stopniowo zmieniana mieszanina proszków. W drugim wariancie, wykorzystuje się system palników, z których każdy zasilany jest innym proszkiem. Zwłaszcza zastosowanie kilku palników pozwala na łatwe i wydajne prowadzenie procesu.
Nakładanie laserowe Kolejną metodą otrzymywania tworzyw FGM jest technika spiekania laserowego połączona ze zintegrowanym systemem dozowania proszków (ang. Laser cladding). W metodzie tej mieszanina proszków, dostarczana jest poprzez układ zasilający precyzyjnie do miejsca syntezy, w którym poddawana jest działaniu strumienia laserowego. W literaturze można znaleźć opis sposobu wytwarzania tą techniką elementów w układzie Ni/Cr3C2, z zastosowaniem lasera 600W Nd-YAG. W pracy tej uzyskano przejście gradientowe o zmiennej zawartości fazy węglikowej w zakresie 0-80% objętości. Bardzo dokładne doprowadzenie proszku do miejsca jego osadzania, umożliwia nanoszenie materiałów o wyższej temperaturze topnienia na materiały o niższej temperaturze topnienia bez uszkadzania ich powierzchni, ponieważ nie jest ona poddawana bezpośrednio działaniu wiązki laserowej.
Infiltracja preformu