В материаловедении Функционально-градиентные материалы (FGMs) могут характеризоваться постепенным изменением состава и структуры по объему, что приводит к соответствующим изменениям свойств материала. Материалы могут быть разработаны для конкретных функций и применений. Для изготовления функционально-градиентных материалов используются различные подходы, основанные на объемной обработке (обработка частиц), обработке преформ, послойной обработке и обработке расплава.
История[править]
Концепция FGM впервые была рассмотрена в Японии в 1984 году во время проекта космического самолета, где комбинация используемых материалов должна была служить целью теплового барьера, способного выдерживать температуру поверхности 2000 К и градиент температуры 1000 К на сечении 10 мм. В последние годы эта концепция стала более популярной в Европе, особенно в Германии. Трансрегиональный совместный исследовательский центр (SFB Transregio) финансируется с 2006 года для того, чтобы использовать потенциал сортировки мономатериалов, таких как сталь, алюминий и полипропилен, с использованием термомеханически сопряженных производственных процессов.
Общая информация[править]
FGM могут различаться по составу и структуре, например, пористости, или по обоим параметрам, чтобы создать результирующий градиент. Градиент может быть классифицирован как непрерывный или прерывистый, который демонстрирует ступенчатый градиент.
В природе существует несколько примеров FGM, включая бамбук и кость, которые изменяют свою микроструктуру, создавая градиент свойств материала. В биологических материалах градиенты могут быть получены посредством изменений в химическом составе, структуре, интерфейсах и посредством наличия градиентов, охватывающих несколько масштабов длины. В частности, в пределах изменения химического состава, манипуляции минерализацией, наличие неорганических ионов и биомолекул, а также уровень гидратации, как известно, вызывают градиенты у растений и животных.
Базовыми структурными единицами FGM являются элементы или материальные ингредиенты, представленные maxel. Термин maxel был введен в 2005 году Радживом Двиведи и Радованом Ковачевичем в Исследовательском центре передового производства (RCAM). Атрибуты maxel включают расположение и объемную долю отдельных материальных компонентов.
Максель также используется в контексте процессов аддитивного производства (таких как стереолитография, селективное лазерное спекание, моделирование методом послойного наплавления и т. д.) для описания физического воксела (сочетание слов «объем» и «элемент»), который определяет разрешение сборки либо быстрого прототипирования, либо быстрого производственного процесса, либо разрешение конструкции, созданной с помощью таких средств изготовления.
Переход между двумя материалами можно аппроксимировать соотношением степенного или экспоненциального закона:
Закон степени: где — модуль Юнга на поверхности материала, z — глубина от поверхности, а k — безразмерный показатель ().
Экспоненциальный закон: где указывает на твердую поверхность и указывает на мягкую поверхность.
Приложения[править]
Существует множество областей применения FGM. Концепция заключается в создании композитного материала путем изменения микроструктуры одного материала на другой с определенным градиентом. Это позволяет материалу иметь лучшее из обоих материалов. Если это касается термической или коррозионной стойкости или пластичности и вязкости, обе прочности материала могут быть использованы для предотвращения коррозии, усталости, трещин и коррозионного растрескивания под напряжением.
Существует множество возможных применений и отраслей, заинтересованных в FGM. Они охватывают оборону, изучение защитной брони, биомедицину, исследование имплантатов, оптоэлектронику и энергетику.
Авиационная и аэрокосмическая промышленность, а также индустрия компьютерных схем очень заинтересованы в возможности материалов, которые могут выдерживать очень высокие температурные градиенты. Обычно это достигается путем использования керамического слоя, соединенного с металлическим слоем.
Дирекция по воздушным транспортным средствам провела квазистатические испытания на изгиб образцов титана/борида титана с функциональной сортировкой, результаты которых можно увидеть ниже. Испытание коррелировало с конечно-элементным анализом (FEA) с использованием четырехугольной сетки, где каждый элемент имел собственные структурные и термические свойства.
Программа стратегических исследований перспективных материалов и процессов (AMPSRA) провела анализ создания термобарьерного покрытия с использованием Zr02 и NiCoCrAlY. Их результаты оказались успешными, но результаты аналитической модели не опубликованы.
Термин, относящийся к аддитивным процессам производства, возник в RMRG (Rapid Manufacturing Research Group) в Университете Лафборо в Соединенном Королевстве. Термин является частью описательной таксономии терминов, относящихся непосредственно к различным деталям, касающимся аддитивных производственных процессов CAD-CAM, изначально созданных как часть исследования, проведенного архитектором Томасом Моденом в области применения вышеупомянутых методов в контексте архитектуры.
Градиент модуля упругости существенно изменяет вязкость разрушения адгезионных контактов.
Кроме того, все больше внимания уделяется тому, как применять FGM в биомедицинских приложениях, в частности, в стоматологических и ортопедических имплантатах. Например, кость — это FGM, которая демонстрирует изменение эластичности и других механических свойств между кортикальной и губчатой костью. Логично, что FGM для ортопедических имплантатов были бы идеальными для имитации характеристик кости. FGM для биомедицинских приложений имеют потенциальное преимущество в предотвращении концентрации напряжений, которая может привести к биомеханическому отказу, и улучшении биосовместимости и биомеханической стабильности. FGM в отношении ортопедических имплантатов особенно важны, поскольку используемые обычные материалы (титан, нержавеющая сталь и т. д.) более жесткие и, таким образом, представляют риск создания ненормальных физиологических условий, которые изменяют концентрацию напряжений на границе между имплантатом и костью. Если имплантат слишком жесткий, он рискует вызвать резорбцию кости, в то время как гибкий имплантат может вызвать стабильность и интерфейс кость-имплантат. Было проведено множество расчетов методом конечных элементов для понимания возможных градиентов FGM и механических свойств, которые можно реализовать в различных ортопедических имплантатах, поскольку градиенты и механические свойства в значительной степени зависят от геометрии.
Примером FGM для использования в ортопедических имплантатах является матрица полимера армирования углеродным волокном (CRFP) с оксидом циркония, стабилизированным иттрием (YSZ). Изменение количества YSZ, присутствующего в качестве наполнителя в материале, привело к коэффициенту градации прочности на изгиб 1,95. Этот высокий коэффициент градации и общая высокая гибкость показывают перспективность в качестве вспомогательного материала в костных имплантатах. Существует довольно много FGM, которые изучаются с использованием гидроксиапатита (HA) из-за его остеопроводимости, которая способствует остеоинтеграции имплантатов. Однако HA демонстрирует более низкую прочность на излом и ударную вязкость по сравнению с костью, что требует его использования в сочетании с другими материалами в имплантатах. В одном исследовании HA сочетали с оксидом алюминия и оксидом циркония с помощью процесса искровой плазмы для создания FGM, который показывает механический градиент, а также хорошую клеточную адгезию и пролиферацию.
Моделирование и имитация[править]
Были разработаны численные методы для моделирования механического отклика FGM, причем наиболее популярным является метод конечных элементов. Первоначально изменение свойств материала было введено с помощью строк (или столбцов) однородных элементов, что привело к прерывистому ступенчатому изменению механических свойств. Позднее Сантаре и Ламброс разработали функционально-градиентные конечные элементы, где изменение механических свойств происходит на уровне элементов. Мартинес-Панеда и Гальего распространили этот подход на коммерческое программное обеспечение для конечных элементов. Контактные свойства FGM можно моделировать с помощью метода граничных элементов (который можно применять как к неадгезивным, так и к адгезивным контактам). Моделирование молекулярной динамики также было реализовано для изучения функционально-градиентных материалов. М. Ислам изучал механические и вибрационные свойства функционально-градиентных нанопроводов Cu-Ni с помощью молекулярно-динамического моделирования.
Механика структур функционально-градиентных материалов рассматривалась многими авторами. Однако недавно была разработана новая микромеханическая модель для расчета эффективного модуля упругости Юнга для композита с пластинами, армированными графеном. Модель учитывает средние размеры графеновых нанопластин, весовую долю и соотношение графен/матрица в элементе представительного объема. Динамическое поведение этого композита на основе функционально-градиентного полимера, армированного графеновыми наполнителями, имеет решающее значение для инженерных приложений.