摘要：梯度功能材料（Functionally Gradient Materials,FGM）依托组分、微观组织空间渐变的结构特征，破解异质材料界面应力失配痛点，是航空航天、核能源、高端医疗、半导体等极端工况装备轻量化与高性能化的核心关键材料。传统FGM制备工艺受成型原理桎梏，在复杂构型、金属－陶瓷异种材料一体化、梯度精细化可控量产层面存在显著短板。粉末挤出3D打印（Powder Extrusion Printing,PEP）作为源自粉末注射成型（PIM）工艺体系的间接增材制造技术，衍生出独立双喷嘴非连续功能梯度（PEP-DFGM）与三螺杆双组分单喷嘴连续功能梯度（PEP-CFGM）两条差异化成型路径，形成阶梯式分层复合、无缝平滑渐变并行的全谱系梯度制备能力。本文立足PEP技术底层原理，系统拆解两条工艺路径的设备架构、梯度调控逻辑、技术壁垒与落地应用，对比非连续、连续两类梯度材料的工程适配边界，结合全球FGM产业发展数据研判行业发展趋势，剖析双路径协同赋能梯度功能材料从实验室研发走向规模化工业化落地的内在逻辑，前瞻性预判PEP梯度功能材料制造朝着精细化、智能化、仿生化、全产业链一体化的演进方向。
关键词：粉末挤出3D打印；梯度功能材料；非连续梯度FGM；连续梯度FGM；金属陶瓷复合；增材制造
注：本文为深度解析内容，正文约8000字，阅读时间约30分钟。
01 引言：梯度功能材料成为极端制造领域的性能最优解
1.1 梯度功能材料定义与产业战略价值
梯度功能材料打破均质材料性能单一、传统复合材料界面突变开裂的固有缺陷，材料化学组分、晶粒形貌、孔隙率等微观参数沿空间方向呈梯度连续或阶梯式演变，构件不同区域按需实现耐磨、耐热、导热、结构承载、生物相容等差异化功能。在异质材料复合场景中，梯度过渡结构能够平缓热膨胀系数、弹性模量物性差异带来的残余应力与热应力，大幅提升异种材料界面结合强度、服役可靠性，是解决极端温差、交变载荷、强腐蚀、高能粒子辐照等苛刻工况下零部件失效问题的核心材料方案。
▲FGM的主要应用领域
伴随全球高端装备国产化进程提速，航空发动机热端构件、核聚变偏滤器、个性化骨科植入物、半导体陶瓷金属封装基座、新能源车载功率器件散热基板等产品迭代倒逼材料技术革新，FGM已从前沿科研课题转变为战略性刚需材料，被各国纳入先进材料重点研发目录。
1.2 传统制备工艺的固有技术瓶颈
现阶段主流FGM制备工艺划分为薄膜制备、粉末冶金成型、熔积增材三大类：气相沉积、热喷涂仅适用于薄涂层梯度改性，无法实现实体结构一体化成型；粉末冶金、离心铸造受模具约束，复杂内腔与异形拓扑结构成型能力匮乏，梯度分层精度依赖人工铺粉，批次一致性差；激光选区熔化（SLM）等金属增材制造依托粉缸混粉实现梯度调控，但金属－陶瓷物性、熔点跨度极大，陶瓷粉体易造成激光喷头粘堵、熔池裂纹，高硬度、高熔点难熔金属梯度构件成型良率偏低，材料适配面狭窄。
▲FGM常用传统制备工艺
整体来看，现有工艺普遍存在梯度可控性差、结构成型受限、异种材料兼容度低、规模化生产成本高昂四大痛点，制约FGM产业化落地。
1.3 粉末挤出3D打印的破局逻辑
粉末挤出3D打印继承PIM成熟的粉末密炼、脱脂、烧结全工艺体系，以金属、陶瓷复合喂料为成型原料，低温固态挤出成型规避高温熔融带来的组分偏析、烧损问题，天然适配金属、陶瓷、金属－陶瓷复合体系梯度制造。升华三维基于自主化PEP底层技术，开创性落地两类梯度打印设备：独立双喷嘴打印系统定向解决非连续梯度功能材料（DFGM）制备难题，三螺杆双组分单喷嘴打印系统攻克连续梯度功能材料（CFGM）成型瓶颈，补齐了FGM从小试样研发到大尺寸工业件量产的工艺空白，构建起覆盖梯度材料配方筛选、试样试制、批量生产的全链条技术解决方案，重构梯度功能材料制造的工艺边界。
▲升华三维的独立双喷嘴打印系统和三螺杆双组分单喷嘴打印系统
02 梯度功能材料分类：DFGM与CFGM的理论边界与工程定位
从组分空间分布规律划分，FGM分为非连续功能梯度（DFGM）与连续功能梯度（CFGM）两大品类，二者结构设计逻辑、应用场景、性能诉求截然不同，也是PEP两条成型路径的设计出发点。
▲DFGM与CFGM的差异
2.1 非连续梯度功能材料（DFGM）
DFGM采用离散阶梯式组分排布，构件沿指定方向划分为若干独立功能分区，分区内部成分均质、相邻分区组分突变，形成清晰物理界面。该设计思路聚焦功能分区定制化，人为划分如耐磨区、承重区、导热区等独立模块，各分区材料单独选型优化，设计简单、工艺落地门槛低。在外层耐磨陶瓷内层高强结构金属、多材质拼接结构件领域应用广泛，但突变界面在剧烈温度交变环境下易积聚热应力，不适用于超高可靠性极端服役零部件。
2.2 连续梯度功能材料（CFGM）
CFGM组分比例随空间位置实现无级平滑微调，从A材料到B材料无明确分界，微观组织渐进演变，从根源消解异质材料物性突变带来的界面应力集中，是极端工况高可靠构件首选方案。连续功能梯度能够逐步缓冲热膨胀系数落差，大幅降低高温循环服役下的开裂失效风险，但对成型装备的实时混料、配比动态调控能力提出严苛要求，工艺复杂度、设备研发难度显著高于DFGM。
2.3 两类梯度材料差异化选型逻辑总结
DFGM侧重低成本、快迭代、分区明确，适配常规梯度功能复合结构与新材料快速筛选；CFGM侧重高稳定性、低内应力、长服役寿命，聚焦航空、核工业、精密电子等高附加值极端装备，两类梯度互为补充，共同覆盖全场景FGM市场需求，也奠定了PEP双技术路线并行发展的产业基础。
03 技术路径一：独立双喷嘴打印系统——非连续功能梯度材料高效解决方案
独立双喷嘴打印系统依托两套完全独立的挤出驱动系统，通过空间分时分区沉积实现多材料离散复合，是当前PEP－DFGM研发与产业化最成熟的工艺路径，产品布局从桌面科研级延伸至大尺寸工业量产级，形成全谱系设备矩阵。
▲独立双喷嘴打印系统示意图 ©升华三维
3.1 全谱系设备矩阵：覆盖科研验证到工业化批量制造
实验型独立双喷嘴3D打印机UPS-LiteD：成型尺寸130×130×130mm，面向高校实验室、研究院所新材料配方研发，机身小型化适配实验室台面布局，双喷嘴可独立控制、交替出料，支持小批量多配方对照试验，大幅缩短金属、陶瓷基复合材料配方筛选周期，是梯度功能材料基础研究标配设备。
▲实验型独立双喷嘴3D打印机UPS-LiteD外观效果图及主要参数 ©升华三维
工业型独立双喷嘴3D打印机UPS-250：成型尺寸250×250×250mm，适配工业化连续生产工况，整机机械结构强化，喂料输送稳定性优化，完美兼容成熟PIM商用喂料体系，对接量产脱脂烧结流水线，面向中小型DFGM零部件批量制造。
▲工业型独立双喷嘴3D打印机UPS-250外观效果图及主要参数 ©升华三维
大尺寸独立双喷嘴3D打印机UPS-556：有效成型尺寸500×500×600mm，填补大体积金属－陶瓷梯度功能构件成型空白，瞄准航空结构件、核工业大型异形零部件开发，突破传统增材设备成型幅面限制，实现大尺寸双材质一体化成型。
▲大尺寸独立双喷嘴3D打印机UPS-556外观效果图及主要参数 ©升华三维
3.2 成型原理：分区分时沉积实现多材料离散复合成型
双喷嘴两套挤出机构物理独立，分别装载两种差异化喂料，依托切片软件预先划分模型材料分布区域，打印进程中系统根据路径指令，控制对应喷嘴定点出料、另一喷嘴待机，完成同一件产品不同区域差异化材料沉积；亦可双喷嘴同步并行成型两种不同基材零件。相较于单喷嘴机型反复拆装换料的低效模式，省去材料清空、料筒清洗工序，综合生产效率提升40%以上。独立双喷嘴打印系统的核心优势体现在三个方面：
一机多材：可以同时打印或者各自轮流打印金属和陶瓷材料，实现不同种类材料的复合产品开发及复杂结构的成形。
灵活切换：支持镜像复制、支撑连接层、双材料复合等多种打印模式，满足复杂悬空结构、批量生产及功能分区需求。
梯度功能材料开发：独立双喷嘴可以实现如外层耐磨陶瓷+内层高强金属等的复合结构制备；通过软件切片设计逐层或逐区域改变材料配比，可制备非连续功能梯度材料。
3.3 PEP制备DFGM的核心价值
设计自由度：材料分区完全由数字化切片软件定义，任意曲面、异形内腔均可精准划分材质边界，摆脱模具、铺粉工艺的构型束缚。
材料选择灵活：两个喷嘴可装载完全不相关的材料体系（如金属与陶瓷），可任意跨体系组合，具有无限想象空间。
批量效率高：一次装料完成双材质成型，减少停机换料损耗，无需频繁更换材料，单次打印即可完成多种材料的复合成形。
后处理兼容强：沿用PIM行业成熟催化脱脂、热脱脂、气氛烧结工艺，产业链配套完善，无需新建专属后处理产线。
3.4 PEP制备DFGM典型应用案例
双层梯度硬质合金制备：双材料复合打印弥补了传统单材料打印的缺陷，尤其在聚合物基梯度功能结构制备中具有独特优势。今年10月，中南大学粉末冶金国家重点实验室与株洲金韦硬质合金有限公司科研团队，在3D打印梯度硬质合金在PDC衬底的应用研究中，采用间接3D打印工艺制备无η相高韧性渗碳梯度硬质合金（FGCCs）。本研究采用PEP工艺的独立双喷嘴3D打印机预置了仅外层贫碳的双层硬质合金生坯，通过预烧结渗碳制备了三组新型FGCCs。为高性能PDC衬底双材料增材制造提供了解决思路。该研究成果发表在国际顶级期刊《Ceramics International》上。https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.08.312
▲双层硬质合金3D打印模型示意图 ©Ceramics International
▲烧结与渗碳样品宏观形貌与金相图 ©Ceramics International
93W和96W梯度功能材料制备：在钨合金材料开发领域，某高校与升华三维的联合项目中，也采用双喷嘴系统实现了难熔金属93钨合金和96钨合金的双材料打印，打出来的成品界面处无缺陷，γ相分布较为均匀，在航空航天、核能、太阳能、生物工程植入等领域具有极大的应用价值。
▲93W和96W梯度材料（烧结） ©升华三维
金属双材料填充打印：金属双材料打印案例中，还有采用两种不同成分不锈钢材料进行复合打印的，用于认证《金属双材料复合结构不同性能变化对功能件影响》研究的可行性。该案例利用了PEP工艺切片软件的晶格填充功能自动生成晶格骨架，再使用独立双喷嘴系统分别挤出骨架和晶格空隙填充材料，从而实现样品结构的制备。因两种材料成分接近，可使得两者能在优化后的同一套后处理工艺上实现烧结，最终获得了双材料结合致密且冶金性能优异的样品。
▲不同成分不锈钢材料复合打印（烧结） ©升华三维
铜与陶瓷材料复合打印：在材料差异较大的应用中，以铜线圈&陶瓷绝缘线圈为例，此部件为电动马达领域的产品，同时由铜线圈和陶瓷隔离层组成。铜线圈能够与铁或铁合金组合产生磁场，使用陶瓷材料使铜导线与铁及铁合金部件绝缘。该案例利用了升华三维3D打印设备的独立双喷嘴系统，同步解决了铜及陶瓷结构件的复合成型和导电绝缘的难题。而打印好的生坯经过脱脂烧结等一系列工艺处理后，可得到最终的成品件。
▲铜线圈&陶瓷绝缘线圈（生坯） ©升华三维
04 技术路径二：三螺杆单喷嘴打印系统——连续梯度CFGM精准制造方案
针对连续梯度无缝渐变的工艺需求，升华三维推出的金属/陶瓷梯度功能材料3D打印UPR-241机型，是国内首款量产型金属-陶瓷连续梯度专用3D打印装备，核心面向高附加值CFGM研发与小批量定制生产，落地航天热端部件、核聚变耗材、高端生物植入件、半导体封装基座四大赛道，填补国产连续梯度专用设备空白。
▲三螺杆双组分单喷嘴打印系统示意图 ©升华三维
4.1 UPR-241设备产品定位与参数
UPR-241成型尺寸为180mm×240mm×160mm。该设备采用自主研发的三螺杆双组分单喷嘴系统，专为连续梯度功能材料的制备而设计，能够实现材料成分的动态或等比例梯度变化。UPR-241机型独创三螺杆双进料动态混料架构，依托实时配比调节+原位均匀混料+一体化挤出的三段式工艺，突破传统分层堆叠带来的界面缺陷，成为国内商用化连续梯度3D打印标杆装备。
▲金属/陶瓷功能材料3D打印机UPR-241©升华三维
4.2 三段式闭环梯度调控成型机理
UPR-241采用创新的“三阶段”材料调控工艺，实现从“成分配比”到“均匀混合”再到“挤出成形”的全流程精准控制，实现配比动态无级调节：
第一阶段－精准配比调控：左右两套进料螺杆由独立伺服电机驱动，根据三维模型梯度曲线实时修正转速，两种基材进料占比在10%～90%区间连续无级调整，软件预设梯度方程即可实现线性、非线性、曲线式任意组分渐变。
第二阶段－密闭原位均质混料：两种配比精准的喂料汇入中央预混腔体，主啮合螺杆高剪切混炼，保证挤出原料组分均匀，规避局部成分偏析造成的性能不均。
第三阶段－连续挤出成型：均匀复合料经由单一喷嘴逐层堆积成型，组分随打印行进连续变化，宏观构件实现无界面平滑梯度。
这一工艺路径的核心优势在于：梯度变化的精度不依赖于切片层级，而是通过供料比例的连续调节实现，因此可以在宏观尺度上实现近乎无限精细的成分渐变。配合配套的切片软件，可自动调控供料比例，实现材料成分的动态连续梯度或等比例梯度变化。
4.3 PEP制备CFGM的突破性优势
连续梯度可控：通过在打印过程中实时动态调节两种材料的混合比例，实现材料成分在单个构件中的连续渐变，克服传统层状结构的界面性能突变问题
材料适配宽泛：兼容金属－金属、陶瓷－陶瓷、金属－陶瓷三大复合体系，基于现有工业化PIM喂料二次改性即可上机，不用从零研发全新粘结剂体系。
研发落地成本低廉：依托粉末冶金成熟商用粉体与粘结体系，大幅降低梯度新材料配方研发投入与试错成本，加速实验室成果产业化转化。
工艺链成熟：坯体成型后沿用粉末冶金法的脱脂烧结工序，可在现有梯度功能材料工艺链上进行升级改造。
4.4 CFGM典型应用案例
钨-铜连续梯度构件：UPR-241在Formnext Asia等行业展会中重点展示了钨－铜功能梯度材料结构件。钨－铜梯度材料在航天燃烧室、高效热交换器、核聚变偏滤器等极端散热场景中具有重要应用价值。传统钨铜复合构件因两种材料热膨胀系数差异大，在界面处容易产生热应力裂纹；通过UPR-241实现的连续梯度过渡，从根本上消除了这一风险。
▲钨-铜梯度功能材料结构样品（生坯） ©升华三维
316L不锈钢－铜梯度散热结构：可实现316L不锈钢与铜的梯度复合打印，适用于航天燃烧室、高效热交换器、多功能散热结构等场景，兼顾强度、导热与密封性能。
▲不锈钢-铜梯度功能材料结构样品（生坯） ©升华三维
金属－陶瓷一体化成型：通过连续梯度过渡层直接打印金属－陶瓷连接件，解决传统焊接、钎焊强度低、气密性差、界面易失效的难题，在半导体设备、航空发动机、电子封装等领域具有重要应用前景。
▲3D打印的金属－陶瓷梯度功能材料结构样品（生坯） ©升华三维
05 双路径横向对比：DFGM vs CFGM的差异化定位与协同价值
升华三维提供的两条成型路径各有侧重，通过对比分析可以更清晰地理解其差异化定位：
两条成型路径在产品开发链条中具有互补逻辑：独立双喷嘴工艺适配梯度材料的探索式开发，凭借材料灵活切换、批量研发效率高的优势，可助力科研及研发团队快速验证复合材料或复合结构可行性，高效完成不同材料分区的独立优化工作；而三螺杆单喷嘴工艺则可聚焦极致性能探索，在基础设计方案敲定后，能够对材料过渡区域进行精细化调控，消除界面热应力，实现材料无感过渡，适配前沿课题研究或高性能构件制备。
同时，两种成型路径还具备极强的协同价值，可形成完整产品开发闭环：独立双喷嘴系统完成DFGM非连续梯度设计与方案验证后，可将核心关键过渡区域交由三螺杆单喷嘴设备来实现精细化连续梯度调控，同时三螺杆单喷嘴方案验证成熟的CFGM连续梯度配比配方，也能反向为独立双喷嘴的DFGM分层配比设计提供精准参考。
而升华三维具备独特的行业战略优势，是业内少数同时掌握DFGM、CFGM两套完整梯度材料制备方案的企业，可依托统一技术平台为用户提供从前期材料筛选、中期梯度优化到后期成品制造的全链条一体化技术支撑，彻底规避了研发过程中频繁切换不同技术路线、对接多类供应链的繁琐问题。
06 梯度功能材料全球市场格局与多领域应用前景
6.1 市场规模与增长趋势
功能梯度材料市场正处于高速增长阶段。据360iResearch 2026年1月报告显示：2025年全球功能梯度材料市场估值约14.9亿美元，2026年预计增长至16.2亿美元，到2032年将达到28.1亿美元，预测期内CAGR为9.47%。主要FGM类型包括金属－金属复合材料、金属－陶瓷复合材料和陶瓷－陶瓷复合材料，应用领域涵盖航空航天、能源、电子、医疗器械和先进工业装备。
3D打印梯度材料细分领域高速扩张，梯度材料专用3D打印设备市场2025年约1.39亿美元，预计2032年达4.2亿美元，CAGR约17%。若计入打印服务、材料及全产业链，市场规模可达85亿～120亿美元，年增速超24%。材料挤出、定向能量沉积等技术路线并行发展，其中材料挤出因低成本、高材料兼容性，在科研与中小批量生产中优势显著。
综合来看，功能梯度材料全球市场正处于从“实验室演示”向“产业化应用”跨越的关键阶段，整体市场规模稳健增长，3D打印作为FGM核心制造技术之一，其细分领域增速显著高于整体市场。增材制造正在推动FGM的范式转变，从离散涂层和粘接层压板向连续梯度架构迁移，有效减少界面失效模式。与此同时，数字化设计工作流、现场监测与闭环参数控制、后处理策略的不断发展，正在提升梯度制造的可重复性和可靠性。
6.2 重点应用领域与未来拓展方向
航空航天领域：是对功能梯度材料需求最为迫切的领域之一。轻量化结构件和耐高温热端部件是核心应用方向。采用镍基高温合金梯度叶片，耐温性能可突破1500℃临界点。PEP技术制备的功能梯度材料在复杂形状、多材料复合构件方面展现出巨大应用潜力。高推重比航空发动机涡轮叶片、火箭燃烧室室壁的金属－陶瓷梯度结构、航天器热防护系统等场景，都可通过梯度设计实现材料性能与服役要求的精准匹配。
医疗器械领域：骨科植入物通过钛合金－生物陶瓷梯度结构实现力学性能与骨整合能力的双重优化。PEP技术可制备具有梯度成分的个性化植入物，精准匹配患者解剖结构与力学需求。梯度多孔结构与实体结构的组合，可在保持力学强度的同时促进骨组织长入；而表面生物活性陶瓷梯度层则能显著提升植入物与宿主组织的结合效果。
核工业与能源装备：核电领域的控制棒材料、屏蔽材料梯度设计，可优化中子吸收效率与力学性能的平衡；聚变堆面对等离子体材料通过钨－铜梯度过渡，能显著缓解高热负荷冲击引起的热应力。PEP技术在制备钨－铜梯度材料构件、高效热交换器等极端散热场景中展现出特殊的应用价值。
新能源汽车领域：耐高温导热器件和轻量化结构件是新能源汽车对梯度功能材料的重要需求方向。PEP技术为多材料复合构件的快速迭代提供了高效路径。如电机控制器散热基板一体化梯度设计、功率模块封装中的金属－陶瓷绝缘散热梯度过渡、制动系统耐磨面与非耐磨区的成分渐变等，都是梯度材料的典型应用场景。
半导体与电子封装领域：通过金属－陶瓷梯度连接实现耐高温、绝缘、高强度的一体化构件制备，在半导体设备、电子封装等领域极具应用价值。如光刻机工件台、高功率芯片散热基板、陶瓷基板与金属引线框架之间的梯度过渡层，可有效降低界面热阻与残余应力。
07 前瞻性技术展望：梯度制造的“双轮驱动”与技术融合趋势
立足材料科学、智能制造、人工智能交叉融合发展大势，随着功能梯度材料应用场景的持续拓展，PEP梯度制造技术将向以下方向深化：
7.1 微观尺度精细化调控升级
设备朝着微小型螺杆、微米级精准送料系统迭代，实现微观毫米级向微米级梯度精准调控，聚焦微流控芯片、微型传感器、精密微电子元器件等微小梯度零件；同时优化螺杆混炼腔体结构，解决超细粉体、纳米陶瓷填料分散不均难题，实现微观晶粒可控梯度排布。
7.2 AI全流程智能调控深度落地
机器学习与数字孪生技术深度嵌入梯度打印全链条：AI算法根据材料物性数据库自动优化梯度曲线配比，结合在线视觉监测、熔体压力传感数据实时动态修正送料参数，补偿打印过程中物料黏度波动、挤出形变带来的梯度偏差，实现全制程无人化智能调控，大幅降低人工调试门槛，未来有望实现材料配方－梯度设计－工艺参数全自动化智能生成。
7.3仿生梯度结构成为前沿研发热点
借鉴自然界骨骼、贝壳、植物茎秆天然多级梯度构型，依托PEP灵活的梯度调控能力开发仿生FGM，实现多级孔隙、多尺度复合梯度一体化成型，在高性能抗冲击防护构件、仿生医用植入物、轻量化高强结构领域开辟全新应用赛道。
7.4 升华三维全产业链战略布局
企业已完成从密炼造粒设备、梯度3D打印主机、脱脂烧结炉全链条设备自研量产，打通喂料制备－生坯打印－脱脂烧结全工艺闭环。依托双重梯度成型路径优势，持续迭代新一代超高精度连续梯度机型，同时向下游开放材料配方定制服务，从设备供应商向FGM整体工艺解决方案服务商转型，持续推动梯度功能材料由实验室小试样研发走向工业化生产落地。
08 总结
梯度功能材料是破解异质材料界面失效、实现极端工况装备性能突破的关键先进材料，传统制备工艺的局限性长期束缚产业发展。粉末挤出3D打印凭借低温固态挤出、兼容全品类PIM材料体系的先天优势，演变出独立双喷嘴的DFGM非连续梯度、三螺杆单喷嘴CFGM连续梯度两条互补成型路径，完整覆盖阶梯分层、无缝渐变两大梯度制造需求。
在全球高端制造国产化驱动下，FGM市场持续高速扩容，PEP梯度3D打印将依托智能化、精细化、仿生化的技术迭代，持续渗透航空航天、医疗、核电、新能源、半导体等高端产业链。伴随工艺与设备持续优化，粉末挤出3D打印有望成为未来梯度功能材料工业化制造的主流工艺之一，加速我国高端梯度功能新材料自主可控进程。
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