مواد هدفمند(FGM) و كاربردها

در دو دهه اخير پيشرفت‌هاي تکنولوژي در زمينه‌هاي مهندسي هوافضا و هسته‌اي ، ترمو‌الاستيته را به عنوان يک شاخه اصلي از مهندسي کاربردي آورده است . درجه حرارت‌هاي بالا در بسياري از سازه‌ها و قطعات ماشين‌ها نظير سازه‌هاي هوا – فضايي ، موتورهايي که در هواپيماهاي پر سرعت به کار مي‌روند ، مخازن مورد استفاده در نيروگاههاي اتمي و هسته اي و يا در فرايندهاي صنعتي مانند آنهايي که از اشعه ليزر با دانسيته انرژي بالا جهت توليد استفاده مي‌کنند ، به وجود مي‌آيد . اين سازه‌ها و يا قطعات تحت شرايط حرارتي غير يکنواخت ناپايدار که با تغيير خصوصيات فيزيکي و مکانيکي همراه است ، کار مي‌کنند . اين مساله باعث ايجاد تنش‌هاي حرارتي مي‌گردد که در طراحي سازه‌ها يا قطعه‌ها بايد مورد توجه قرار بگيرد ، چراکه همراه با تنش‌هاي مکانيکي ناشي از بار‌هاي خارجي ، باعث ترک و شکست در قطعه مي‌شود . تنش‌هاي حرارتي مي‌توانند اثراتي نظير خستگي حرارتي و کمانش حرارتي از خود نشان بدهند . همچنين پاره اي از مواد در ميدان درجه حرارت غير دائم در اثر گراديان بالاي درجه حرارت ، ماهيت ترد پيدا خواهند کرد و در نهايت قابليت تحمل گراديان‌هاي بالاي درجه حرارت را نخواهند داشت که مي‌تواند فاجعه بار باشد.

يکي از راه حل‌هاي مقابله با بارهاي شديد حرارتي استفاده از مواد هدفمند مي‌باشد که موادي  نا همگن ولي ايزوتروپ هستند که خواص در آنها از نقطه اي به نقطه ديگر تغيير مي‌کند . مثلا در مقاومت مکانيکي ، مقاومت به سايش ، سختي و ضريب هدايت حرارتي که به طور پيوسته تغيير مي‌کنند . اين تغييرات پيوسته نسبت به تغييرات گسسته خواص مواد مرکب ، مشکل تغييرات ناگهاني را در سطح تماس دو ماده ي متفاوت رفع مي‌کند.

شکل زيرتفاوت‌هاي يک ماده مرکب را با يک ماده هدفمند از لحاظ چگونگي توزيع خواص و مواد سازنده نشان مي‌دهد .

 

در شكل هاي زير نمونه هايي از كاربرد اين مواد مشاهده مي شود.


what is FGM technology

FGM(مواد هدفمند) موادی هستندکه دارای مقاومت مکانیکی، مقاومت حرارتی، مقاومت در برابر خوردگی و سایش، مقاومت در برابر خزش و خستگی و ... هستند در صنایع هوافضا، نفت و گاز، خودروسازی و ... مورد توجه ویژه قرار می‌گیرند. از این جهت در دهه‌های اخیر و همچنین در صنایع پیشرفته امروزی، مواد همگن و همسانگرد که دارای یکنواختی خواص بوده و باعث ایجاد محدودیت‌هایی در تولید محصولات با کیفیت می‌شوند، چندان مورد توجه قرار نمی‌گیرند و دانشمندان همواره در تلاش بوده‌اند که از مواد جدید با خواص برتر استفاده کنند. ایده مواد مرکب (کامپوزیت‌ها) در پایان دهه 1930 و آغاز دهه 1950 در صنایع دریایی عملی شد. مواد مرکب از ترکیب دو یا چند ماده ناهمساز به وجود می‌آیند که خواص فیزیکی متفاوت و گاهی ناسازگار دارند. این عدم سنخیت رفتار مواد، باعث تمرکز تنش و ایجاد گسستگی در مرز لایه‌ها در اثر بارگذاری توام مکانیکی و حرارتی می‌شود. تغییر ناگهانی مواد و خواص مواد مرکب که موجب تغییر ناگهانی رفتار مواد به ویژه در مرز لایه‌ها می‌شود از اشکالات عمده آنهاست؛ لذا ایده تغییر تدریجی خواص مواد پی‌ریزی شد. در مواد FGM به دلیل پیوستگی موجود در خواص مکانیکی، حرارتی ومغناطیسی، تنش‌ها وگرادیان آنها حالت پیوسته‌ای پیدا می‌کنند که باعث استحکام ماده می‌شوند. تغییرات تدریجی خواص در ساختار مواد FG موجب استحکام بین لایه‌های مختلف آن می‌شود. در صورتی که در مواد مرکب کامپوزیتی، تداخل بین ساختارهای زمینه‌ الیاف، نوعی ناهماهنگی در خواص مکانیکی ایجاد می‌کند. به عنوان مثال هنگامی که مواد کامپوزیت درمعرص بارهای حرارتی بالا قرار می‌گیرند، ترک ابتدا در مرز زمینه و الیاف ایجاد و سپس در لایه‌ها و مقاطع ضعیف داخل زمینه و الیاف منتشر می‌شود. فناوری ساخت این قبیل مواد در انحصار کشورهایی خاصی از جمله ژاپن، آلمان و آمریکا می‌باشد.برای اولین بار نینو وهمکارانش مفهوم اولیه ساخت FGM را در سازمان هوا فضای ژاپن مطرح کردند. پس از آن روش‌های متفاوتی در حد آزمایشگاهی و بسیار پرهزینه برای ساخت این دست از مواد مرکب به کار رفته است