Функционально классифицированный материал

В материаловедении функционально-сортированные материалы ( ФГМ ) 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 градуированных материалов используются различные подходы, основанные на объемной обработке (обработка частиц), обработке заготовок, обработке слоев и обработке расплава.

История

Концепция FGM была впервые рассмотрена в Японии в 1984 году во время проекта космического самолета, где комбинация используемых материалов могла бы служить тепловому барьеру, способному выдерживать температуру поверхности 2000 К и температурный градиент 1000 К на 10°С. 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 сортировки мономатериалов, таких как сталь, алюминий и полипропилен, с использованием термомеханически связанных производственных процессов. ^{[ 2 ]}

Общая информация

FGM могут различаться как по составу, так и по структуре, например, по пористости, или по тому и другому, что приводит к получению результирующего градиента. Градиент можно разделить на непрерывный или прерывистый, который представляет собой ступенчатый градиент.

В природе существует несколько примеров КО, в том числе бамбука и костей, которые изменяют свою микроструктуру, создавая градиент свойств материала. ^{[ 3 ]} В биологических материалах градиенты могут возникать за счет изменений химического состава, структуры, границ раздела, а также за счет присутствия градиентов, охватывающих несколько масштабов длины. изменение химического состава, изменение минерализации, присутствие неорганических ионов и биомолекул , а также уровень гидратации вызывают градиенты у растений и животных. В частности , известно, что ^{[ 4 ]}

Основными структурными единицами КО являются элементы или материальные ингредиенты, представленные макселем . Термин «максель» был введен в 2005 году Радживом Двиведи и Радованом Ковачевичем в Исследовательском центре перспективного производства (RCAM). ^{[ 5 ]} К атрибутам макселя относятся расположение и объемная доля отдельных компонентов материала.

Максель также используется в контексте процессов аддитивного производства (таких как стереолитография , селективное лазерное спекание , моделирование методом наплавления и т. д.) для описания физического вокселя (сочетания слов «объем» и «элемент»), который определяет разрешение сборки либо быстрого прототипирования, либо быстрого производственного процесса, либо разрешение конструкции, созданной такими средствами изготовления.

Переход между двумя материалами можно аппроксимировать соотношением степенного или экспоненциального закона:

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

Экспоненциальный закон: $E=E_{o}e^{\alpha z}$ где $\alpha <0$ указывает на твердую поверхность и $\alpha >0$ указывает на мягкую поверхность. ^{[ 6 ]}

Приложения

Существует множество областей применения КОЖПО. Идея состоит в том, чтобы создать композитный материал, изменяя микроструктуру от одного материала к другому с определенным градиентом. Это позволяет материалу сочетать в себе лучшее из обоих материалов. Если речь идет о термической или коррозионной стойкости или пластичности и ударной вязкости, можно использовать обе прочности материала, чтобы избежать коррозии, усталости, разрушения и коррозионного растрескивания под напряжением.

Существует множество возможных применений и отраслей, заинтересованных в КОЖПО. Они простираются от обороны, рассматривающей защитную броню, до биомедицины, исследования имплантатов, оптоэлектроники и энергетики. ^{[ нужна ссылка ]}

Авиационная и аэрокосмическая промышленность, а также производство компьютерных схем очень заинтересованы в возможности создания материалов, способных выдерживать очень высокие температурные градиенты. ^{[ 7 ]} Обычно этого достигают путем использования керамического слоя, соединенного с металлическим слоем.

Управление воздушных транспортных средств провело результаты испытаний на квазистатический изгиб функционально классифицированных образцов титана/ борида титана , которые можно увидеть ниже. ^{[ 8 ]} Испытание коррелировало с анализом методом конечных элементов (FEA) с использованием четырехугольной сетки, где каждый элемент имеет свои 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.

Трактовка этого термина, относящегося к процессам аддитивного производства, берет свое начало в RMRG (Исследовательская группа быстрого производства) Университета Лафборо в Соединенном Королевстве . Этот термин является частью описательной таксономии терминов, относящихся непосредственно к различным деталям, связанным с аддитивными производственными процессами CAD - CAM , первоначально созданными в рамках исследования, проведенного архитектором Томасом Модином в области применения вышеупомянутых технологий. методы в контексте архитектуры.

Градиент модуля упругости существенно меняет вязкость разрушения клеевых контактов. ^{[ 9 ]}

Кроме того, повышенное внимание уделяется тому, как применять КО в биомедицинских целях, особенно в стоматологических и ортопедических имплантатах. Например, кость представляет собой FGM, которая демонстрирует изменение эластичности и других механических свойств между кортикальной и губчатой костью . Отсюда логически следует, что FGM для ортопедических имплантатов идеально подходят для имитации функций кости. КОЖПО для биомедицинских применений потенциально полезны в предотвращении концентрации стресса, которая может привести к биомеханическому отказу, а также в улучшении биосовместимости и биомеханической стабильности. ^{[ 10 ]} КОЖПО применительно к ортопедическим имплантатам особенно важны, поскольку обычные используемые материалы (титан, нержавеющая сталь и т. д.) более жесткие и, таким образом, создают риск создания аномальных физиологических условий, которые изменяют концентрацию напряжений на границе между имплантатом и костью. Если имплантат слишком жесткий, это может привести к резорбции кости , в то время как гибкий имплантат может привести к нестабильности интерфейса кость-имплантат. Многочисленные модели FEM были проведены, чтобы понять возможные FGM и механические градиенты, которые могут быть реализованы в различных ортопедических имплантатах, поскольку градиенты и механические свойства сильно зависят от геометрии. ^{[ 11 ]}

Примером FGM для использования в ортопедических имплантатах является полимерная матрица, армирующая углеродное волокно (CRFP) с диоксидом циркония, стабилизированным иттрием (YSZ). Изменение количества YSZ, присутствующего в качестве наполнителя в материале, привело к получению коэффициента градации прочности на изгиб 1,95. Такое высокое соотношение градаций и общая высокая гибкость позволяют использовать его в качестве вспомогательного материала в костных имплантатах. ^{[ 12 ]} В настоящее время изучается довольно много FGM с использованием гидроксиапатита (ГА) из-за его остеокондуктивности , которая способствует остеоинтеграции имплантатов. Однако ГК обладает более низкой прочностью на излом и ударной вязкостью по сравнению с костью, что требует его использования в сочетании с другими материалами в имплантатах. В одном исследовании ГК объединили с оксидом алюминия и диоксидом циркония с помощью искрового плазменного процесса для создания FGM, который демонстрирует механический градиент, а также хорошую клеточную адгезию и пролиферацию. ^{[ 13 ]}

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 рядов (или столбцов) однородных элементов, что приводило к прерывистому ступенчатому изменению механических свойств. ^{[ 14 ]} Позже Сантаре и Ламброс ^{[ 15 ]} разработаны функционально градуированные конечные элементы, в которых изменение механических свойств происходит на уровне элемента. Мартинес-Паньеда и Гальего распространили этот подход на коммерческое программное обеспечение конечных элементов. ^{[ 16 ]} Контактные свойства ФГМ можно смоделировать с помощью метода граничных элементов (который можно применять как к неадгезионным, так и к клеевым контактам). ^{[ 17 ]} Моделирование молекулярной динамики также применялось для изучения функционально градуированных материалов. М. Ислам ^{[ 18 ]} изучил механические и вибрационные свойства функционально градуированных нанопроводов Cu-Ni с использованием молекулярно-динамического моделирования.

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

^ «Функционально-сортированные материалы (ФГМ) и методы их производства» . Azom.com. 22 августа 2002 года . Проверено 13 сентября 2012 г.
^ "Дом" . Transregio-30.com . Проверено 13 сентября 2012 г.
^ Миямото, Ю; Кайссер, Вашингтон; Рабин, Б.Х.; Кавасаки, А.; Форд, Р.Г. (31 октября 1999 г.). Функционально классифицированные материалы: проектирование, обработка и применение . Спрингер. п. 345. ИСБН 0412607603 .
^ Лю, Цзэнцянь; Мейерс, Марк А.; Чжан, Чжэфэн; Ричи, Роберт О. (25 апреля 2017 г.). «Функциональные градиенты и неоднородности биологических материалов: принципы проектирования, функции и биоинспирированные приложения». Прогресс в материаловедении . 88 : 467–498. дои : 10.1016/j.pmatsci.2017.04.013 .
^ Р. Двиведи1 С. Зекович1 Р. Ковачевич1 (1 октября 2006 г.). «Обнаружение особенностей поля и планирование процессов на основе морфинга для изготовления геометрии и контроля состава функционально классифицированных материалов» . Pib.sagepub.com . Проверено 13 сентября 2012 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ Яннакопулос, А.Е.; Суреш, С. (20 июля 1998 г.). «Индентирование твердых тел с градиентами упругих свойств: Часть I. Сосредоточенная сила». Международный журнал твердых тел и структур . 34 (19): 2357–2392. дои : 10.1016/S0020-7683(96)00171-0 .
^ NASA.gov
^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала 5 июня 2011 года . Проверено 27 апреля 2008 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
^ Попов Валентин Львович; Порт, Роман; Ли, Цян (1 сентября 2017 г.). «Прочность клеевых контактов: Влияние геометрии контакта и градиентов материала» . Трение . 5 (3): 308–325. дои : 10.1007/s40544-017-0177-3 . ISSN 2223-7690 .
^ Дубей, Аньшу; Джайсвал, Сатиш; Лахири, Дебрупа (24 февраля 2022 г.). «Перспективы использования функционально классифицированного материала в регенерации кости: текущие тенденции, свойства и проблемы». ACS Биоматериаловедение и инженерия . 8 (3): 1001–1027. doi : 10.1021/acsbimaterials.1c01416 . ПМИД 35201746 . S2CID 247107609 .
^ Сола, Антонелла; Беллуччи, Дэвис; Каннильо, Валерия (3 января 2016 г.). «Функционально классифицированные материалы для ортопедических применений – обновленная информация о проектировании и производстве». Достижения биотехнологии . 34 (5): 504–531. doi : 10.1016/j.biotechadv.2015.12.013 . hdl : 11380/1132321 . ПМИД 26757264 .
^ Васираджа, Н.; Саравана Сатья Прабхахар, Р.; Джозеф Дэниел, С. (23 июня 2022 г.). «Характеристики растяжения и изгиба функционально градуированных композитов, армированных углеродным волокном, с наполнителями из циркония, стабилизированными оксидом алюминия и иттрия, для костных имплантатов». Материалы сегодня: Труды . 62 (6): 3197–3202. дои : 10.1016/j.matpr.2022.03.480 . S2CID 247988137 .
^ Атиф Фаиз Афзал, Мохаммед; Кесарвани, Паллави; Мадхав Редди, К.; Калмодия, Сушма; Басу, Бикрамджит; Балани, Кантеш (10 марта 2012 г.). «Функционально градуированный биокомпозит гидроксиапатит-глинозем-цирконий: синергия прочности и биосовместимости». Материаловедение и инженерия: C . 32 (5): 1164–1173. дои : 10.1016/j.msec.2012.03.003 .
^ Бао, Г.; Ван, Л. (1995). «Множественное растрескивание в функционально-градиентных керамических/металлических покрытиях» . Международный журнал твердых тел и структур . 32 (19): 2853–2871. дои : 10.1016/0020-7683(94)00267-Z .
^ Сантаре, Миннесота; Ламброс, Дж. (2000). «Использование градуированных конечных элементов для моделирования поведения неоднородных материалов». Журнал прикладной механики . 67 (4): 819–822. Бибкод : 2000JAM....67..819S . дои : 10.1115/1.1328089 .
^ Мартинес-Паньеда, Э.; Гальего, 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-y . S2CID 54587103 .
^ Ли, Цян; Попов, Валентин Л. (9 августа 2017 г.). «Метод граничных элементов для нормальных неклеевых и клеевых контактов степенных упругих материалов». Вычислительная механика . 61 (3): 319–329. arXiv : 1612.08395 . Бибкод : 2018CompM..61..319L . дои : 10.1007/s00466-017-1461-9 . ISSN 0178-7675 . S2CID 119073298 .
^ Ислам, Махмуд; Хок Тхакур, штат Мэриленд Шаджедул; Коттон, 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 функционально градуированных структур материалов , World Scientific/Imperial College Press, Сингапур; стр. 323, ISBN 978-981-4656-58-0 , 2015 г.
^ Айдоглу М., Мароти, Г., Элишакофф, И., Заметка о полуобратном методе потери устойчивости балок с осевой функциональной градацией, Журнал армированных пластиков и композитов, Том 32 (7), 511-512, 2013
^ Кастеллацци, Г., Джентилини, К., Крысл, П., Элишакофф, И., Статический анализ функционально градуированных пластин с использованием узлового интегрированного метода конечных элементов, Композитные конструкции, Том 103, 197-200, 2013
^ Элишакофф И., Заза Н., Кертин Дж., Хашеми Дж., Очевидно, первое решение в закрытой форме для вибрации функционально градуированных вращающихся балок", AIAA Journal, Vol. 52 (11), 2587-2593, 2014 год
^ Уше, Дж.; Паньола, М. (29 мая 2024 г.). «Анализ вибрации функционально градуированных композитных пластин эпоксидной смолы и графена с использованием метода граничных элементов и новой микромеханической модели» . Механика перспективных материалов и конструкций : 1–11. дои : 10.1080/15376494.2024.2357264 . ISSN 1537-6494 .

[1] «Функционально-сортированные материалы (ФГМ) и методы их производства» . Azom.com. 22 августа 2002 года . Проверено 13 сентября 2012 г.

[2] "Дом" . Transregio-30.com . Проверено 13 сентября 2012 г.

[3] Миямото, Ю; Кайссер, Вашингтон; Рабин, Б.Х.; Кавасаки, А.; Форд, Р.Г. (31 октября 1999 г.). Функционально классифицированные материалы: проектирование, обработка и применение . Спрингер. п. 345. ИСБН 0412607603 .

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

[5] Р. Двиведи1 С. Зекович1 Р. Ковачевич1 (1 октября 2006 г.). «Обнаружение особенностей поля и планирование процессов на основе морфинга для изготовления геометрии и контроля состава функционально классифицированных материалов» . Pib.sagepub.com . Проверено 13 сентября 2012 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[6] Яннакопулос, А.Е.; Суреш, С. (20 июля 1998 г.). «Индентирование твердых тел с градиентами упругих свойств: Часть I. Сосредоточенная сила». Международный журнал твердых тел и структур . 34 (19): 2357–2392. дои : 10.1016/S0020-7683(96)00171-0 .

[7] NASA.gov

[8] «Архивная копия» . Архивировано из оригинала 5 июня 2011 года . Проверено 27 апреля 2008 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )

[9] Попов Валентин Львович; Порт, Роман; Ли, Цян (1 сентября 2017 г.). «Прочность клеевых контактов: Влияние геометрии контакта и градиентов материала» . Трение . 5 (3): 308–325. дои : 10.1007/s40544-017-0177-3 . ISSN 2223-7690 .

[10] Дубей, Аньшу; Джайсвал, Сатиш; Лахири, Дебрупа (24 февраля 2022 г.). «Перспективы использования функционально классифицированного материала в регенерации кости: текущие тенденции, свойства и проблемы». ACS Биоматериаловедение и инженерия . 8 (3): 1001–1027. doi : 10.1021/acsbimaterials.1c01416 . ПМИД 35201746 . S2CID 247107609 .

[11] Сола, Антонелла; Беллуччи, Дэвис; Каннильо, Валерия (3 января 2016 г.). «Функционально классифицированные материалы для ортопедических применений – обновленная информация о проектировании и производстве». Достижения биотехнологии . 34 (5): 504–531. doi : 10.1016/j.biotechadv.2015.12.013 . hdl : 11380/1132321 . ПМИД 26757264 .

[12] Васираджа, Н.; Саравана Сатья Прабхахар, Р.; Джозеф Дэниел, С. (23 июня 2022 г.). «Характеристики растяжения и изгиба функционально градуированных композитов, армированных углеродным волокном, с наполнителями из циркония, стабилизированными оксидом алюминия и иттрия, для костных имплантатов». Материалы сегодня: Труды . 62 (6): 3197–3202. дои : 10.1016/j.matpr.2022.03.480 . S2CID 247988137 .

[13] Атиф Фаиз Афзал, Мохаммед; Кесарвани, Паллави; Мадхав Редди, К.; Калмодия, Сушма; Басу, Бикрамджит; Балани, Кантеш (10 марта 2012 г.). «Функционально градуированный биокомпозит гидроксиапатит-глинозем-цирконий: синергия прочности и биосовместимости». Материаловедение и инженерия: C . 32 (5): 1164–1173. дои : 10.1016/j.msec.2012.03.003 .

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

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

[16] Мартинес-Паньеда, Э.; Гальего, 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-y . S2CID 54587103 .

[17] Ли, Цян; Попов, Валентин Л. (9 августа 2017 г.). «Метод граничных элементов для нормальных неклеевых и клеевых контактов степенных упругих материалов». Вычислительная механика . 61 (3): 319–329. arXiv : 1612.08395 . Бибкод : 2018CompM..61..319L . дои : 10.1007/s00466-017-1461-9 . ISSN 0178-7675 . S2CID 119073298 .

[18] Ислам, Махмуд; Хок Тхакур, штат Мэриленд Шаджедул; Коттон, 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 функционально градуированных структур материалов , World Scientific/Imperial College Press, Сингапур; стр. 323, ISBN 978-981-4656-58-0 , 2015 г.

[20] Айдоглу М., Мароти, Г., Элишакофф, И., Заметка о полуобратном методе потери устойчивости балок с осевой функциональной градацией, Журнал армированных пластиков и композитов, Том 32 (7), 511-512, 2013

[21] Кастеллацци, Г., Джентилини, К., Крысл, П., Элишакофф, И., Статический анализ функционально градуированных пластин с использованием узлового интегрированного метода конечных элементов, Композитные конструкции, Том 103, 197-200, 2013

[22] Элишакофф И., Заза Н., Кертин Дж., Хашеми Дж., Очевидно, первое решение в закрытой форме для вибрации функционально градуированных вращающихся балок", AIAA Journal, Vol. 52 (11), 2587-2593, 2014 год

[23] Уше, Дж.; Паньола, М. (29 мая 2024 г.). «Анализ вибрации функционально градуированных композитных пластин эпоксидной смолы и графена с использованием метода граничных элементов и новой микромеханической модели» . Механика перспективных материалов и конструкций : 1–11. дои : 10.1080/15376494.2024.2357264 . ISSN 1537-6494 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]