Funktionelt sorteret materiale - Functionally graded material
Inden for materialevidenskab kan funktionelle graderede materialer ( FGM'er ) karakteriseres af variationen i sammensætning og struktur gradvist over volumen, hvilket resulterer i tilsvarende ændringer i materialets egenskaber. Materialerne kan designes til specifik funktion og applikationer. Forskellige tilgange baseret på hovedparten (partikelbearbejdning), præformbearbejdning, lagbearbejdning og smeltebehandling anvendes til at fremstille de funktionelt sorterede materialer.
Historie
Begrebet FGM blev først overvejet i Japan i 1984 under et rumplanprojekt, hvor en kombination af anvendte materialer ville tjene formålet med en termisk barriere, der er i stand til at modstå en overfladetemperatur på 2000 K og en temperaturgradient på 1000 k over en 10 mm sektion. I de senere år er dette koncept blevet mere populært i Europa, især i Tyskland. Et transregionalt samarbejdsforskningscenter (SFB Transregio) er finansieret siden 2006 for at udnytte potentialet ved klassificering af monomaterialer, såsom stål, aluminium og polypropylen, ved hjælp af termomekanisk koblede fremstillingsprocesser.
Generel information
De grundlæggende strukturelle enheder af FGM'er er elementer eller materielle ingredienser repræsenteret af maxel . Udtrykket maxel blev introduceret i 2005 af Rajeev Dwivedi og Radovan Kovacevic ved Research Center for Advanced Manufacturing (RCAM). Attributterne for maxel inkluderer placeringen og volumenfraktionen af individuelle materialekomponenter.
En maxel bruges også i forbindelse med fremstillingsprocesserne for additiver (såsom stereolitografi , selektiv lasersintring , sammensmeltet aflejringsmodellering osv.) Til at beskrive en fysisk voxel (et portmanteau af ordene 'volumen' og 'element'), som definerer opløsningsopløsningen af enten en hurtig prototyping eller en hurtig fremstillingsproces eller opløsningen af et design, der er produceret ved sådanne fabrikationsmidler.
Ansøgninger
Der er mange anvendelsesområder for FGM. Konceptet er at fremstille et sammensat materiale ved at variere mikrostrukturen fra et materiale til et andet materiale med en bestemt gradient. Dette gør det muligt for materialet at få det bedste fra begge materialer. Hvis det er for termisk eller ætsende modstand eller formbarhed og sejhed, kan begge styrker af materialet bruges til at undgå korrosion, træthed, brud og spændingskorrosion.
Overgangen mellem de to materialer kan normalt tilnærmes ved hjælp af en strømserie. Luft- og rumfartsindustrien og computerkredsløbsindustrien er meget interesseret i muligheden for materialer, der kan modstå meget høje termiske gradienter. Dette opnås normalt ved anvendelse af et keramisk lag forbundet med et metallag.
Luftkøretøjsdirektoratet har gennemført en kvasi-statisk bøjningstestresultat af funktionelt sorterede titanium / titaniumborid- testprøver, som kan ses nedenfor. Testen korrelerede med den endelige elementanalyse (FEA) ved anvendelse af et firkantet maske, hvor hvert element havde sine egne strukturelle og termiske egenskaber.
Advanced Materials and Processes Strategic Research Program (AMPSRA) har foretaget analyser af produktion af en termisk barrierebelægning ved hjælp af Zr02 og NiCoCrAlY. Deres resultater har vist sig at være vellykkede, men ingen resultater af den analytiske model er offentliggjort.
Gengivelsen af udtrykket, der vedrører additivfremstillingsprocesserne, har sin oprindelse ved RMRG (Rapid Manufacturing Research Group) ved Loughborough University i Storbritannien . Udtrykket er en del af en beskrivende taksonomi af termer, der vedrører direkte forskellige oplysninger, der vedrører additivet CAD - CAM- fremstillingsprocesser, oprindeligt oprettet som en del af forskningen udført af arkitekt Thomas Modeen i anvendelsen af de ovennævnte teknikker i sammenhæng med arkitektur.
Gradient af elastisk modul ændrer i det væsentlige brudstyrken af klæbemiddelkontakter.
Modellering og simulering
Numeriske metoder er blevet udviklet til modellering af FGM'ers mekaniske respons, hvor metoden med begrænset element er den mest populære. Oprindeligt blev variationen af materialegenskaber introduceret ved hjælp af rækker (eller kolonner) af homogene elementer, hvilket førte til en diskontinuerlig trin-variation i de mekaniske egenskaber. Senere udviklede Santare og Lambros funktionelt klassificerede endelige elementer, hvor den mekaniske egenskabsvariation finder sted på elementniveau. Martínez-Pañeda og Gallego udvidede denne tilgang til kommerciel software med begrænset element. FGM's kontaktegenskaber kan simuleres ved hjælp af metoden Boundary Element (som kan anvendes både på ikke-klæbende og klæbende kontakter). Molekylær dynamik simulering er også implementeret for at studere funktionelt klassificerede materialer. M. Islam studerede de mekaniske og vibrationsegenskaber ved funktionelt sorterede Cu-Ni nanotråde ved hjælp af molekylær dynamik simulering.
Mekanik for funktionelt klassificerede materialestrukturer blev overvejet af mange forfattere.
