Функционально градуированный материал - Functionally graded material

Сегментированная КОЖГ с n слоями
Сегментированный функционально-градуированный материал

В материаловедение Функционально согласованные материалы (КОЖПО) может характеризоваться постепенным изменением состава и структуры по объему, что приводит к соответствующим изменениям свойств материала. Материалы могут быть разработаны для конкретных функций и приложений. Для изготовления функционально сортированных материалов используются различные подходы, основанные на объемном (обработка частиц), обработке преформ, обработке слоев и обработке расплавом.

История

Концепция FGM была впервые рассмотрена в Японии в 1984 году во время проекта космического самолета, где комбинация используемых материалов служила бы цели теплового барьера, способного выдерживать температуру поверхности 2000 K и температурный градиент 1000 K через 10 сечение мм.[1] В последние годы эта концепция стала более популярной в Европе, особенно в Германии. Трансрегиональный совместный исследовательский центр (SFB Transregio) финансируется с 2006 года с целью использования потенциала классификации мономатериалов, таких как сталь, алюминий и полипропилен, с помощью термомеханически связанных производственных процессов.[2]

Общая информация

Базовыми структурными единицами КОЖПО являются элементы или ингредиенты материала, представленные Максель. Термин maxel был введен в 2005 году Радживом Двиведи и Радован Ковачевич в Исследовательский центр перспективного производства (RCAM).[3] Атрибуты maxel включают расположение и объемную долю отдельных компонентов материала.

Максель также используется в контексте производство добавок процессы (такие как стереолитография, селективный лазер спекание, моделирование наплавленного осаждения и т. д.) для описания физических воксель (набор слов «объем» и «элемент»), который определяет разрешение сборки либо быстрого прототипирования, либо быстрого производственного процесса, либо разрешение дизайна, созданного такими средствами производства.

Приложения

Есть много областей применения КОЖПО. Идея состоит в том, чтобы создать композитный материал, изменяя микроструктуру от одного материала к другому с определенным градиентом. Это позволяет использовать лучшее из обоих материалов. Если это связано с термической или коррозионной стойкостью, пластичностью и ударной вязкостью, можно использовать обе прочности материала, чтобы избежать коррозии, усталости, разрушения и растрескивания под напряжением.

Переход между двумя материалами обычно можно аппроксимировать с помощью степенного ряда. Авиационная и аэрокосмическая промышленность, а также промышленность компьютерных схем очень заинтересованы в возможности материалов, которые могут выдерживать очень высокие температурные градиенты.[4] Обычно это достигается за счет использования керамического слоя, соединенного с металлическим слоем.

Управление воздушного транспорта провело квазистатические испытания на изгиб функционально модифицированного титана /борид титана образцы для испытаний, которые можно увидеть ниже.[5] Тест коррелировал с анализом методом конечных элементов (FEA) с использованием четырехугольной сетки, где каждый элемент имел свои собственные структурные и термические свойства.

Программа стратегических исследований перспективных материалов и процессов (AMPSRA) провела анализ создания термобарьерного покрытия с использованием ZrO2 и NiCoCrAlY. Их результаты оказались успешными, но результаты аналитической модели не публикуются.

Перевод термина, который относится к процессам аддитивного производства, берет свое начало в RMRG (Rapid Manufacturing Research Group) по адресу: Университет Лафборо в объединенное Королевство. Термин является частью описательного таксономия терминов, относящихся непосредственно к различным подробностям, относящимся к добавке CAD -CAM производственные процессы, первоначально установленные как часть исследования, проведенного архитектором Томасом Модином по применению вышеупомянутых методов в контексте архитектуры.

Градиент модуля упругости существенно изменяет вязкость разрушения клеевых контактов.[6]

Моделирование и симуляция

Функционально градуированная бронеплитка после баллистических испытаний (передняя и задняя)

Для моделирования механического отклика FGM были разработаны численные методы, наиболее популярным из которых является метод конечных элементов. Первоначально изменение свойств материала вводилось посредством строк (или столбцов) однородных элементов, что приводило к прерывистому ступенчатому изменению механических свойств.[7] Позже Сантар и Ламброс [8] разработаны функционально градуированные конечные элементы, в которых изменение механических свойств происходит на уровне элементов. Мартинес-Панеда и Гальего распространили этот подход на коммерческое программное обеспечение конечных элементов.[9] Контактные свойства FGM можно моделировать с помощью метода граничных элементов (который может применяться как к неклейким, так и к клеевым контактам).[10] Моделирование молекулярной динамики также было реализовано для изучения функционально дифференцированных материалов. М. Ислам [11] изучили механические и колебательные свойства функционально градиентных нанопроволок Cu-Ni с помощью молекулярно-динамического моделирования.

Механику функционально-дифференцированных структур материалов рассматривали многие авторы.[12][13][14][15]

Рекомендации

  1. ^ «Функционально-сортированные материалы (FGM) и методы их производства». Azom.com. 2002-08-22. Получено 2012-09-13.
  2. ^ "Дома". Transregio-30.com. Получено 2012-09-13.
  3. ^ Р Двиведи1 С Зекович1 Р Ковачевич1 (01.10.2006). «Обнаружение полевых особенностей и планирование процессов на основе морфинга для изготовления геометрических фигур и управления составом для функционально сортированных материалов». Pib.sagepub.com. Получено 2012-09-13.
  4. ^ http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/RT2000/images/5920arnold3.jpg
  5. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2011-06-05. Получено 2008-04-27.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  6. ^ Попов, Валентин Л .; Похрт, Роман; Ли, Цян (2017-09-01). «Прочность клеевых контактов: влияние геометрии контакта и градиента материала». Трение. 5 (3): 308–325. Дои:10.1007 / s40544-017-0177-3. ISSN  2223-7690.
  7. ^ Bao, G .; Ван, Л. (1995). «Множественные трещины в функционально дифференцированных керамических / металлических покрытиях». Международный журнал твердых тел и структур. 32 (19): 2853–2871. Дои:10.1016 / 0020-7683 (94) 00267-Z.
  8. ^ Santare, M.H .; Ламброс, Дж. (2000). «Использование градуированных конечных элементов для моделирования поведения неоднородных материалов». Журнал прикладной механики. 67 (4): 819–822. Дои:10.1115/1.1328089.
  9. ^ Martínez-Pañeda, E .; Галлего, Р. (2015). «Численный анализ квазистатического разрушения функционально-градиентных материалов». Международный журнал механики и материалов в дизайне. 11 (4): 405–424. arXiv:1711.00077. Дои:10.1007 / s10999-014-9265-у.
  10. ^ Ли, Цян; Попов, Валентин Л. (2017-08-09). «Метод граничных элементов для нормальных неклейких и адгезионных контактов степенных упругих материалов». Вычислительная механика. 61 (3): 319–329. arXiv:1612.08395. Bibcode:2018CompM..61..319L. Дои:10.1007 / s00466-017-1461-9. ISSN  0178-7675.
  11. ^ Ислам, Махмудул; Хоке Тхакур, Мд Шаджедул; Моджумдер, Сатьяджит; Аль Амин, Абдулла; Ислам, Md Mahbubul (12 июля 2020 г.). «Механические и колебательные характеристики функционально-дифференцированных нанопроволок Cu-Ni: исследование молекулярной динамики». Композиты Часть B: Инженерия: 108212. arXiv:1911.07131. Дои:10.1016 / j.compositesb.2020.108212.
  12. ^ Елисаков, И., Пентарас, Д., Джентилини, К., Механика функционально-дифференцированных структур материалов, World Scientific / Imperial College Press, Сингапур; стр. 323, ISBN  978-981-4656-58-0, 2015
  13. ^ Айдоглу М., Мароти Г., Элишакофф И., Примечание о полуинверсном методе определения устойчивости балок с осевым функциональным градиентом, Журнал армированных пластмасс и композитов, том 32 (7), 511-512, 2013
  14. ^ Кастеллацци, Дж., Джентилини, Ч., Крысл, П., Элишаков, И., Статический анализ функционально градиентных пластин с использованием узлового интегрированного подхода конечных элементов, Композитные структуры, Том 103,197-200, 2013
  15. ^ Элишаков И., Заза Н., Куртин Дж., Хашеми Дж., По-видимому, первое решение в замкнутой форме для вибрации функционально градиентных вращающихся балок », AIAA Journal, Vol. 52 (11), 2587-2593, 2014 г.