任何物质都是由元素组成的,不同的元素及其不同的结合方式使得物质呈现了不同的机械、电学、光学等特性。随着人们对物质及其功能多样化的需求,人们积极探索着创造新物质的各种方式,其最本质的问题在于如何实现物质元素的再分布及结合。针对上述问题,本文围绕多元材料任意分布开展了课题研究工作,详细阐述了一种实现多元材料任意分布的基础理论;研究分析了多元材料任意分布技术在图像成形、薄膜及复合材料制备领域中的应用。针对多元材料的可控分布,建立了一种多元材料任意分布物理模型,并基于拓扑变换建立了多元材料沉积数学模型,通过模型讨论分析了沉积体截面上的材料分布,进而阐述了多元材料任意分布的基础理论。提出了宏观操纵大量材料实现多元材料精确分布的新方法,该分布法的本质在于通过一个特殊的沉积面把极其困难的多元材料横向分布问题转化为相对简单的纵向沉积问题。阐述了多元材料任意分布的具体实现过程,并重点分析了特殊沉积面的获取方式。分析了多元材料任意分布的误差影响因素,推导出了材料分布误差结论,结果显示多元材料任意分布技术可以实现高精度的材料操控。针对多元材料任意分布技术在图像成形中的应用,分析了颜色映象及三维构建模块的特点,探讨了该模块在多元材料图像成形仿真中的应用。仿真分析了宏观及微观尺度图像的多元材料分布,根据多元材料分布方法,设计了材料种类、厚度及顺序。通过雕刻技术制备了风景浮雕沉积面,并基于颜料升华工艺在沉积面上沉积制备出了风景图像的多元材料分布;通过细胞旋涂制备了细胞复杂形貌衬底,并基于磁控溅射原子沉积技术在细胞衬底上制备了细胞图像的多元材料分布;结果显示所得到的风景及细胞材料分布与目标图像具有高度的一致性。基于图像处理技术研究分析了细胞图像的材料分布误差,结果显示该分布具有纳米级的材料分布精度,验证了多元材料任意分布技术在宏观及微观尺度图像成形领域中应用的可行性。针对多元材料任意分布技术在多元材料薄膜制备中的应用,设计了沉积材料的种类、厚度及顺序,并在图案化蓝宝石衬底(PSS)上沉积制备出了径向梯度圆阵列薄膜。研究分析了加工前沉积体的形貌特征,结果显示所制备的沉积体较好地复制了基底形貌,且其微结构具有很好的一致性。深入研究分析了沉积体不同横截面上的形貌特征、材料分布及晶体结构信息,结果显示了截面上分布材料的近线性径向梯度分布及径向梯度圆特征的一致性。研究分析了多元材料分布图案化的边界条件。为了量化材料分布,建立了沉积体结构数学模型,得到了沉积体中各个沉积层轮廓函数、不同截面上分布材料的宽度及面积,计算出的材料分布宽度最小达到了3.3nm,进一步验证了多元材料任意分布技术的高精度。为了探索该薄膜的应用价值,深入研究分析了梯度薄膜的硬度、弹性模量及电势分布,三个特性指标均呈现出良好的径向梯度分布。基于材料种类、厚度及顺序的调控,探讨分析了材料分布的多样性,并制备出同心环阵列薄膜,同时对其分布尺寸等特征进行了表征分析。多元材料薄膜的制备及分析为多元材料任意分布技术在该领域中的应用奠定了基础。针对多元材料任意分布技术在复合材料制备中的应用,建立了一种基于热模压工艺的多元材料任意分布物理模型,设计了蜂窝结构碳化硅增强铝基复合材料结构,分析了复合材料结构类型、元素含量及成形工艺。基于复合材料结构特点,设计并制造出相应的高精度铺粉平台及热压模具。通过热模压工艺制备了蜂窝结构复合材料,结果显示了良好的蜂窝状材料分布,验证了多元材料任意分布技术在复合材料领域中应用的可行性。