随着人类对各个领域的不断探索发展，所需的材料要求也愈发提高，不但要适应各种复杂环境下的工作，还要尽可能的减轻重量，降低成本，而在这一系列的要求之下，功能梯度材料应运而生。

功能梯度材料（Functionally Gradient Materials，简称FGM）是1986年由日本仙台的几位科学家提出的，它是一种组分、结构、物性参数都呈连续变化或阶梯变化的高性能材料

金属强度高、韧性好，但不耐高温和腐蚀；陶瓷耐高温、抗腐蚀，但脆性大，不耐冲击。若将金属和陶瓷组合可以充分发挥两者的优点，克服其缺点。但普通的黏接或组合技术，由于两者界面的热膨胀系数不同，而产生很大的热应力，引起剥离、开裂和脱落,造成材料的损坏。而功能梯度材料是一种使金属和陶瓷的组分和结构呈连续变化，从而物性参数也呈连续变化的复合材料。这种复合材料的高温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，低温侧壁使用导热和强度好的金属材料，材料从陶瓷过渡到金属的过程中，其耐热性逐渐降低，机械强度逐渐升高,热应力在材料两端均很小，在材料中部达到峰值，从而具有热应力缓和功能。

因此梯度材料兼有陶瓷的耐热性、耐磨性，同时兼有金属的机械韧性，能充分发挥各组分原料的性能，在各个领域，特别是在航空航天、核反应、电子、电磁、化学、生物医学诸多领域都有十分丰富的运用与发展。

近些年来，由于其独特的性能和良好的适用性，梯度材料在引起了国内外的广泛关注和兴趣，尤其是在美国和德国等发达国家内的研究已经愈发成熟，实现了大量的运用。

目前功能梯度材料的制备方法总体来看分为两大类:间断梯度层和连续梯度层 ,前者是指各层间总存在成分间断,后者是利用自然迁移现象来实现成分的连续过渡。例如气相沉积、等离子喷涂、自蔓延高温合成、粉末冶金和激光熔覆等制备方法。

而根据适用环境的不同，材料的组分分布可按具体使用条件进行优化设计。目前对梯度材料优化最常见的是拓扑优化，这种方式已经有了长足的发展。而对于耐高温金属-陶瓷混杂梯度材料的优化，主要使对其进行热力环境下拓扑优化。拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。而拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，因此能够获得更大的设计空间。

对梯度材料的优化通常会采用拓扑优化的方式，能够得到更好的空间结构以及效果。但在本问题的研究角度来说，拓扑优化的过程往往是需要大量时间进行研究分析，是一项复杂且需要进行长期的研究项目。为了相对简化研究的过程，改用参数优化的方法，通过将设计目标参数化，采用优化方法，不断的调整设计变量，从而使得设计结果不断接近参数化的目标值。

因此为了进一步提升梯度材料的热防护作用，对其组分进行优化，在最优的经济条件下达到最好的热防护效果，在梯度材料的设计空间中找到最佳的分布方案，既能降低成本，又能尽可能减轻材料的质量，优化结构，从而进一步提升梯度材料的经济性和实用性。

2. 研究的基本内容与方案

热防护梯度材料组分优化设计的主要内容是要针对耐高温金属-陶瓷混杂梯度材料的组分进行热力环境下的分析，以找到最优的组分比例。