Функционально градуированный материал - Functionally graded material
Эта статья имеет нечеткий стиль цитирования.Сентябрь 2012 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) ( |
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
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
- ^ «Функционально-сортированные материалы (FGM) и методы их производства». Azom.com. 2002-08-22. Получено 2012-09-13.
- ^ "Дома". Transregio-30.com. Получено 2012-09-13.
- ^ 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.
- ^ http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/RT2000/images/5920arnold3.jpg
- ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2011-06-05. Получено 2008-04-27.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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
- ^ 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
- ^ 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
- ^ 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.