Функционально-градуированный материал

В материаловедении

В материаловедении функционально-градиентные материалы ( FGM ) 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

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 температурный градиент 1000 К на сечении 10 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 для того, чтобы использовать потенциал сортировки мономатериалов, таких как сталь, алюминий и полипропилен, с использованием термомеханически сопряженных производственных процессов. ^[2]

Общая информация

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.

Существует несколько примеров FGM в природе, включая бамбук и кость, которые изменяют свою микроструктуру, чтобы создать градиент свойств материала. ^[3] 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. ^[4]

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). ^[5] 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 приблизительно описать с помощью степенного или экспоненциального закона:

Степенной закон: где — модуль Юнга на поверхности материала, z — глубина от поверхности, а k — безразмерный показатель степени ( ). $E=E_{o}z^{k}$ $E_{o}$ $0<k<1$

Экспоненциальный закон: где обозначает твердую поверхность, а обозначает мягкую поверхность. ^[6] $E=E_{o}e^{\alpha z}$ $\альфа <0$ $\альфа >0$

Приложения

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. ^{[ необходима цитата ]}

Авиационная и аэрокосмическая промышленность, а также промышленность по производству компьютерных схем очень заинтересованы в возможности создания материалов, способных выдерживать очень высокие температурные градиенты. ^[7] Обычно это достигается путем использования керамического слоя, соединенного с металлическим слоем.

Управление воздушных транспортных средств провело квазистатические испытания на изгиб образцов титана/ борида титана с функциональной сортировкой, результаты которых можно увидеть ниже. ^[8] Испытание коррелировало с анализом конечных элементов (FEA) с использованием четырехугольной сетки, где каждый элемент имел собственные структурные и термические свойства.

Стратегическая исследовательская программа Advanced Materials and Processes (AMPSRA) провела анализ по производству 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 по применению вышеупомянутых методов в контексте архитектуры.

Градиент модуля упругости существенно изменяет вязкость разрушения адгезионных контактов. ^[9]

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 следует, 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. ^[10] 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. ^[11]

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. ^[12] Существует довольно много FGM, которые исследуются 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. ^[13]

Моделирование и имитация

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. ^[14] Позднее Сантаре и Ламброс ^[15] 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. ^[16] Контактные свойства FGM можно моделировать с помощью метода граничных элементов (который можно применять как к неадгезивным, так и к адгезивным контактам). ^[17] Моделирование молекулярной динамики также было реализовано для изучения функционально-градиентных материалов. М. Ислам ^[18] изучал механические и вибрационные свойства функционально-градиентных нанопроводов Cu-Ni с помощью моделирования молекулярной динамики.

Механика структур функционально-градиентных материалов рассматривалась многими авторами. ^[19]^[20]^[21]^[22] Однако недавно была разработана новая микромеханическая модель для расчета эффективного модуля упругости Юнга для композита, армированного графеном. Модель учитывает средние размеры графеновых нанопластин, весовую долю и соотношение графен/матрица в представительном элементе объема. Динамическое поведение этого функционально-градиентного полимерного композита, армированного графеновыми наполнителями, имеет решающее значение для инженерных приложений. ^[23]

^ "Функционально-градиентные материалы (FGM) и методы их производства". Azom.com. 22 августа 2002 г. Получено 13 сентября 2012 г.
^ "Home". Transregio-30.com . Получено 13 сентября 2012 г. .
^ Миямото, Y; Кайссер, WA; Рабин, BH; Кавасаки, A.; Форд, RG (31 октября 1999 г.). Функционально-градуированные материалы: проектирование, обработка и применение . Springer. стр. 345. ISBN 0412607603.
^ Лю, Цзэнцянь; Мейерс, Марк А.; Чжан, Чжэфэн; Ритчи, Роберт О. (25 апреля 2017 г.). «Функциональные градиенты и неоднородности в биологических материалах: принципы проектирования, функции и биоинспирированные приложения». Прогресс в материаловедении . 88 : 467– 498. doi :10.1016/j.pmatsci.2017.04.013.
^ R Dwivedi1 S Zekovic1 R Kovacevic1 (1 октября 2006 г.). "Обнаружение полевых признаков и планирование процесса на основе морфинга для изготовления геометрий и управления составом для функционально-градиентных материалов". Pib.sagepub.com . Получено 13 сентября 2012 г.{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ Giannakopoulos, AE; Suresh, S. (20 июля 1998 г.). «Индентирование твердых тел с градиентами упругих свойств: Часть I. Точечная сила». International Journal of Solids and Structures . 34 (19): 2357– 2392. doi :10.1016/S0020-7683(96)00171-0.
^ NASA.gov
^ "Архивная копия". Архивировано из оригинала 5 июня 2011 года . Получено 27 апреля 2008 года .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
^ Попов, Валентин Л.; Похрт, Роман; Ли, Цян (1 сентября 2017 г.). «Прочность адгезионных контактов: влияние геометрии контакта и градиентов материалов». Трение . 5 (3): 308–325 . doi : 10.1007/s40544-017-0177-3 . ISSN 2223-7690.
^ Дубей, Аншу; Джайсвал, Сатиш; Лахири, Дебрупа (24 февраля 2022 г.). «Перспективы использования функционально градуированных материалов в регенерации костей: текущие тенденции, свойства и проблемы». ACS Biomaterials Science & Engineering . 8 (3): 1001– 1027. doi :10.1021/acsbiomaterials.1c01416. PMID 35201746. S2CID 247107609.
^ Сола, Антонелла; Беллуччи, Дэвис; Каннильо, Валерия (3 января 2016 г.). «Функционально-градуированные материалы для ортопедических применений — обновление дизайна и производства». Biotechnology Advances . 34 (5): 504–531 . doi :10.1016/j.biotechadv.2015.12.013. hdl : 11380/1132321 . PMID 26757264.
^ Васираджа, Н.; Саравана Сатхия Прабхахар, Р.; Джозеф Дэниел, С. (23 июня 2022 г.). «Характеристики растяжения и изгиба функционально градиентных углеродных армированных композитов с наполнителями из циркония, стабилизированными оксидом алюминия и иттрием, для костных имплантатов». Materials Today: Proceedings . 62 (6): 3197– 3202. doi :10.1016/j.matpr.2022.03.480. S2CID 247988137.
^ Атиф Фаиз Афзал, Мохаммад; Кесарвани, Паллави; Мадхав Редди, К.; Калмодия, Сушма; Басу, Бикрамджит; Балани, Кантеш (10 марта 2012 г.). «Функционально-градиентный биокомпозит на основе гидроксиапатита-оксида алюминия-циркония: синергия прочности и биосовместимости». Материаловедение и инженерия: C. 32 ( 5): 1164– 1173. doi :10.1016/j.msec.2012.03.003.
^ Бао, Г.; Ван, Л. (1995). «Множественные трещины в функционально градиентных керамических/металлических покрытиях». Международный журнал твердых тел и структур . 32 (19): 2853– 2871. doi : 10.1016/0020-7683(94)00267-Z .
^ Сантаре, МХ; Ламброс, Дж. (2000). «Использование градуированных конечных элементов для моделирования поведения неоднородных материалов». Журнал прикладной механики . 67 (4): 819– 822. Bibcode : 2000JAM....67..819S. doi : 10.1115/1.1328089.
^ Мартинес-Панеда, Э.; Гальего, Р. (2015). «Численный анализ квазистатического разрушения в функционально-градиентных материалах». Международный журнал механики и материалов в проектировании . 11 (4): 405– 424. arXiv : 1711.00077 . Bibcode : 2015IJMMD..11..405M. doi : 10.1007/s10999-014-9265-y. S2CID 54587103.
^ Ли, Цян; Попов, Валентин Л. (9 августа 2017 г.). «Метод граничных элементов для нормальных неадгезивных и адгезионных контактов степенно-градуированных упругих материалов». Computational Mechanics . 61 (3): 319– 329. arXiv : 1612.08395 . Bibcode :2018CompM..61..319L. doi :10.1007/s00466-017-1461-9. ISSN 0178-7675. S2CID 119073298.
^ Ислам, Махмудул; Хок Тхакур, штат Мэриленд Шаджедул; Моджумдер, Сатьяджит; Аль Амин, Абдулла; Ислам, Мэриленд Махбубул (12 июля 2020 г.). «Механические и вибрационные характеристики функционально-градуированной нанопроволоки Cu-Ni: исследование молекулярной динамики». Композиты. Часть B: Инженерия . 198 : 108212. arXiv : 1911.07131 . doi : 10.1016/j.compositesb.2020.108212. S2CID 208139256.
^ Элишакофф, И., Пентарас, Д., Джентилини, К., Механика структур функционально градуированных материалов , World Scientific/Imperial College Press, Сингапур; стр. 323, ISBN 978-981-4656-58-0 , 2015
^ Айдоглу М., Мароти Г., Элишакофф И., Заметка о полуобратном методе для потери устойчивости балок с осевым функциональным градиентом, Журнал армированных пластиков и композитов, том 32(7), 511-512, 2013
^ Кастеллацци, Г., Джентилини, К., Крайсл, П., Элишакофф, И., Статический анализ функционально-градиентных пластин с использованием узлового интегрированного конечно-элементного подхода, Композитные конструкции, том 103, 197-200, 2013
^ Элишакофф, И., Заза, Н., Куртин, Дж., Хашеми, Дж., По-видимому, первое решение в замкнутой форме для вибрации функционально градуированных вращающихся балок", Журнал AIAA, том 52(11), 2587-2593, 2014
^ Useche, J.; Pagnola, M. (29 мая 2024 г.). «Анализ вибрации пластин из функционально-градиентного эпоксидно-графенового композита с использованием метода граничных элементов и новой микромеханической модели». Механика современных материалов и конструкций : 1– 11. doi :10.1080/15376494.2024.2357264. ISSN 1537-6494.

[1] "Функционально-градиентные материалы (FGM) и методы их производства". Azom.com. 22 августа 2002 г. Получено 13 сентября 2012 г.

[2] "Home". Transregio-30.com . Получено 13 сентября 2012 г. .

[3] Миямото, Y; Кайссер, WA; Рабин, BH; Кавасаки, A.; Форд, RG (31 октября 1999 г.). Функционально-градуированные материалы: проектирование, обработка и применение . Springer. стр. 345. ISBN 0412607603.

[4] Лю, Цзэнцянь; Мейерс, Марк А.; Чжан, Чжэфэн; Ритчи, Роберт О. (25 апреля 2017 г.). «Функциональные градиенты и неоднородности в биологических материалах: принципы проектирования, функции и биоинспирированные приложения». Прогресс в материаловедении . 88 : 467– 498. doi :10.1016/j.pmatsci.2017.04.013.

[5] R Dwivedi1 S Zekovic1 R Kovacevic1 (1 октября 2006 г.). "Обнаружение полевых признаков и планирование процесса на основе морфинга для изготовления геометрий и управления составом для функционально-градиентных материалов". Pib.sagepub.com . Получено 13 сентября 2012 г.{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[6] Giannakopoulos, AE; Suresh, S. (20 июля 1998 г.). «Индентирование твердых тел с градиентами упругих свойств: Часть I. Точечная сила». International Journal of Solids and Structures . 34 (19): 2357– 2392. doi :10.1016/S0020-7683(96)00171-0.

[7] NASA.gov

[8] "Архивная копия". Архивировано из оригинала 5 июня 2011 года . Получено 27 апреля 2008 года .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )

[9] Попов, Валентин Л.; Похрт, Роман; Ли, Цян (1 сентября 2017 г.). «Прочность адгезионных контактов: влияние геометрии контакта и градиентов материалов». Трение . 5 (3): 308–325 . doi : 10.1007/s40544-017-0177-3 . ISSN 2223-7690.

[10] Дубей, Аншу; Джайсвал, Сатиш; Лахири, Дебрупа (24 февраля 2022 г.). «Перспективы использования функционально градуированных материалов в регенерации костей: текущие тенденции, свойства и проблемы». ACS Biomaterials Science & Engineering . 8 (3): 1001– 1027. doi :10.1021/acsbiomaterials.1c01416. PMID 35201746. S2CID 247107609.

[11] Сола, Антонелла; Беллуччи, Дэвис; Каннильо, Валерия (3 января 2016 г.). «Функционально-градуированные материалы для ортопедических применений — обновление дизайна и производства». Biotechnology Advances . 34 (5): 504–531 . doi :10.1016/j.biotechadv.2015.12.013. hdl : 11380/1132321 . PMID 26757264.

[12] Васираджа, Н.; Саравана Сатхия Прабхахар, Р.; Джозеф Дэниел, С. (23 июня 2022 г.). «Характеристики растяжения и изгиба функционально градиентных углеродных армированных композитов с наполнителями из циркония, стабилизированными оксидом алюминия и иттрием, для костных имплантатов». Materials Today: Proceedings . 62 (6): 3197– 3202. doi :10.1016/j.matpr.2022.03.480. S2CID 247988137.

[13] Атиф Фаиз Афзал, Мохаммад; Кесарвани, Паллави; Мадхав Редди, К.; Калмодия, Сушма; Басу, Бикрамджит; Балани, Кантеш (10 марта 2012 г.). «Функционально-градиентный биокомпозит на основе гидроксиапатита-оксида алюминия-циркония: синергия прочности и биосовместимости». Материаловедение и инженерия: C. 32 ( 5): 1164– 1173. doi :10.1016/j.msec.2012.03.003.

[14] Бао, Г.; Ван, Л. (1995). «Множественные трещины в функционально градиентных керамических/металлических покрытиях». Международный журнал твердых тел и структур . 32 (19): 2853– 2871. doi : 10.1016/0020-7683(94)00267-Z .

[15] Сантаре, МХ; Ламброс, Дж. (2000). «Использование градуированных конечных элементов для моделирования поведения неоднородных материалов». Журнал прикладной механики . 67 (4): 819– 822. Bibcode : 2000JAM....67..819S. doi : 10.1115/1.1328089.

[16] Мартинес-Панеда, Э.; Гальего, Р. (2015). «Численный анализ квазистатического разрушения в функционально-градиентных материалах». Международный журнал механики и материалов в проектировании . 11 (4): 405– 424. arXiv : 1711.00077 . Bibcode : 2015IJMMD..11..405M. doi : 10.1007/s10999-014-9265-y. S2CID 54587103.

[17] Ли, Цян; Попов, Валентин Л. (9 августа 2017 г.). «Метод граничных элементов для нормальных неадгезивных и адгезионных контактов степенно-градуированных упругих материалов». Computational Mechanics . 61 (3): 319– 329. arXiv : 1612.08395 . Bibcode :2018CompM..61..319L. doi :10.1007/s00466-017-1461-9. ISSN 0178-7675. S2CID 119073298.

[18] Ислам, Махмудул; Хок Тхакур, штат Мэриленд Шаджедул; Моджумдер, Сатьяджит; Аль Амин, Абдулла; Ислам, Мэриленд Махбубул (12 июля 2020 г.). «Механические и вибрационные характеристики функционально-градуированной нанопроволоки Cu-Ni: исследование молекулярной динамики». Композиты. Часть B: Инженерия . 198 : 108212. arXiv : 1911.07131 . doi : 10.1016/j.compositesb.2020.108212. S2CID 208139256.

[19] Элишакофф, И., Пентарас, Д., Джентилини, К., Механика структур функционально градуированных материалов , World Scientific/Imperial College Press, Сингапур; стр. 323, ISBN 978-981-4656-58-0 , 2015

[20] Айдоглу М., Мароти Г., Элишакофф И., Заметка о полуобратном методе для потери устойчивости балок с осевым функциональным градиентом, Журнал армированных пластиков и композитов, том 32(7), 511-512, 2013

[21] Кастеллацци, Г., Джентилини, К., Крайсл, П., Элишакофф, И., Статический анализ функционально-градиентных пластин с использованием узлового интегрированного конечно-элементного подхода, Композитные конструкции, том 103, 197-200, 2013

[22] Элишакофф, И., Заза, Н., Куртин, Дж., Хашеми, Дж., По-видимому, первое решение в замкнутой форме для вибрации функционально градуированных вращающихся балок", Журнал AIAA, том 52(11), 2587-2593, 2014

[23] Useche, J.; Pagnola, M. (29 мая 2024 г.). «Анализ вибрации пластин из функционально-градиентного эпоксидно-графенового композита с использованием метода граничных элементов и новой микромеханической модели». Механика современных материалов и конструкций : 1– 11. doi :10.1080/15376494.2024.2357264. ISSN 1537-6494.