مواد تابعی

اين تحقيق درباره Functionally Graded Material يا مواد تابعي است. در ابتدا مقدمه اي درباره اين مواد و چگونگي ساختار آن ها ذکر شده است. سپس به کاربرد هاي مختلف اين مواد در صنعت پرداخته شده که عمدتاً از مقاله هاي مختلف علمي استخراج شده اند و تا حد امکان سعي به ترجمه دقيق آن ها شده است و در موارد خاص ، ساده سازي در تر جمه لحاظ شده است. لذا براي کسب اطلاعات بيشتر و دقيق تر، عين مطالب و مقاله هاي ترجمه شده در انتها آورده شده است.

مقدمه :
مواد تابعي (FGM) مواد جديد و پيشرفته مي‌باشند که از نظر ميکروسکپي غير هموژن بوده و خواص مکانيکي آنها به ‌طور پيوسته از يک سمت سازه تا سمت ديگر تغيير مي‌کند. اين تغييرات مواد به‌ صورت تدريجي با تغيير نسبت حجمي دو ماده ساختاري ايجاد مي‌شود. براي اولين بار اين ماده در ژاپن در سال ۱۹۸۴ توسط دانشمندان ساخته شد. معمولاً اين مواد از دو ماده ساختاري سراميک و فلز ساخته مي‌شود. ماده ساختاري سراميک به ‌علت ضريب انتقال حرارت کم و مقاومت زياد در مقابل درجه حرارت ، درجات حرارت بسيار بالا را تحمل کرده و ماده ساختاري فلز انعطاف پذيري لازم را فراهم مي‌کند.

به‌ علاوه اختلاط سراميک و فلز با تغييرات پيوسته از يک سطح تا سطح ديگر در يک سازه به آساني قابل ساختن مي‌باشد. به‌ علت تغييرات پيوسته خواص مکانيکي مشکلات عدم پيوستگـي که در سازه‌هاي کامپوزيت وجود دارد در مواد FGMبه ‌وجود نمي‌آيد. اين مواد ابتدا براي ايجاد سپر حرارتي در سازه‌هاي مختلف است. مزيت استفاده اين مواد اين است که قادر به تحمل درجات حرارت بسيار بالا و اختلاف درجه حرارت بسيار بالا بوده و مقاوم در مقابل خوردگي و سايندگي بوده و مقاومت بالايي در مقابل شکست دارند. در حال حاضر از اين مواد براي سازه‌هايي که در مقابل درجات حرارت بالا بايد مقاوم باشند استفاده مي‌شود. از نکات بسيار برجسته اين مواد بهينه ‌نمودن تغييرات تنش در آنها با تغيير مناسب پروفيل تغييرات مواد ساختاري است.

کاربرد ها :
مواد تابعي موادي هستند که در آن ها ترکيب ها يا ريز ساختار ها تغيير مي کنند.به طوري که تغييرات بخصوص در خواص ماده بوجود مي آيد. مواد تابعي مدرن براي مصارف پيچيده بکار مي روند مانند سپرهاي حرارتي در شاتل هاي فضايي و راکت ها، مدارات کامپيوتري و کاشت اعضاي مصنوعي بدن انسان. گذار تدريجي بين لايه بيروني مقاوم به حرارت يا خوردگي (معمولاً سراميکي)، به زمينه مقاوم فلزي، در بيشتر موارد عمر ماده را زياد مي کند.

از مصارف مواد تابعي، پوشش هاي مقاوم به خوردگي و فرسايش که براي جابجايي سنگ هاي معدن ساينده و سنگين بکار مي روند، مجراهاي مبدل هي حرارتي، ژنراتورهاي ترموالکتريک (دما برقي)، اجزاي ماشين هاي حرارتي، صفحات منتشر کننده حرارت، روکش هاي پلاسما براي راکتورهاي همجوشي هسته اي و اتصالات عايق الکتريسيته فلزي-سراميکي هستند. همچنين آن ها براي کاهش عدم مطابقت در اتصالات فلزي-سراميکي بکار مي روند.

از مصارف ديگر FGM ها مي توان به کاربرد آن ها در سنسور ها، سپر هاي مغناطيسي ، فن آوري هسته ها (محفظه هاي نگهدارنده ي مقاوم به دماهاي فوق العاده زياد پلاسما در هم جوشي هسته اي) ، در زيست فن آوري (بيو تکنولوژي در استخوان ها و دندان هاي مصنوعي) ، اشاره کرد.

استفاده از مواد تابعي (FGM) به منظور کاهش و يا کنترل تغيير شکل در اثر حرارت :

بسياري از اجزاي نازک ساختار ها مثل تير ها ، صفحه ها ، پوسته ها ، داراي تغييرات حرارتي در ضخامت هستند. اين تغييرات حرارتي مي توانند منجر به تغيير شکل هاي حرارتي ، شامل اجزاي درون صفحه اي و هم اجزاي انحنا دار برون صفحه اي (مثل خم ها) شوند. اگر هدف ما کاهش تغيير شکل حرارتي يک جزء و يا همسان کردن آن با تغيير شکل حرارتي يک جزء ديگر باشد ، مي توان به وسيله استفاده از کامپوزيت هايي که الياف آن ها ضريب انبساط طولي منفي دارند ، به اين هدف نائل شد.

بوسيله تغيير دادن نسبت حجمي (Volume Fraction) الياف درون يک تير لايه اي متقارن ، به منظور توليد يک ماده تابعي (FGM) ، مي توان تغيير شکل هاي حرارتي خاص را کنترل کرد. به طور خاص ، يک تير مي تواند طوري طراحي شود که در اثر تغييرات حرارتي حالت پايدار در جهت ضخامت ، دچار انحنا نشود. اين نتيجه در محدوده ي خواص ثابت اجزاي سازنده ، مستقل از مقادير حرارتي واقعي است.

همچنين تير مي تواند طوري طراحي شود که با يک ضريب انبساط درون صفحه اي همسان يا نزديک شود و يا با يک سختي طولي مورد نظر همسان شود. با ترکيب دو نوع الياف به منظور توليد ماده تابعي ورگانه ، مي توان افزايش هاي دلخواه در سختي طولي و خم ها را ارائه کرد در حالي که رفتار تغيير شکل حرارتي مفيد ، باقي مي ماند.

استفاده از مواد تابعي با پايه سيمان در سازه هاي مسکوني :

در اين پروژه ، توليد مواد تابعي با پايه سيمان براي سازه هاي مسکوني به وسيله فايند اکستروژن مورد بررسي قرار مي گيرد. دو هدف ابتدايي عبارتند از :
۱) ايجاد کردن اجزاي سازه ها (مثل پوشش هاي ياختمان) که داراي ساختار هاي سلولي مختلف هستند به طوري که در مرکز بسيار متخلخل و در سطح خارجي چگال و فشرده هستند. به اين ترتيب وزن مخصوص کل کاهش مي يابد بدون آن که نفوذپذيري و عدم استحکام حاصل از وجود خلل و فرج زياد ، ايجاد شود.

۲) هدف درم ايجاد اجزايي مانند تير ها با فيبرهاي (الياف) تقويتي درجه بندي شده است. به طوري که بيشترين تمرکز فيبر ها در کف (زير) تير ايجاد مي شود ، جايي که کرنش کششي بيشترين است. از اين رو از خواص مکانيکي فوق العاده فيبرها در کامپوزيت هاي اکسترود شده با پايه سيمان استفاده مفيد مي شود در حالي که حجم کل فيبرها کمتر مي شود.

اين مواد به وسيله فرايند اکستروژن همزمان چندين جزء ، طي چند مرحله اکستروژن توليد مي شود.نمونه هاي توليد شده به وسيله روش Scanning Electron Microscopy مورد آزمايش قرار مي گيرند تا مشخص شود که پروسه توليد ريزساختارهاي دلخواه توليد شده است يا خير.

خواص مهندسي مانند مدول الاستيسيته ، ضريب پواسون ، استحکام ، سختي شکست و . . . ، بر اساس مقياس هاس ماکروسکوپي و ميکروسکوپي محاسبه مي شوند. خواص مکانيکي محاسبه شده با کامپيوتر ، با خواص اندازه گيري شده و ريزساختارهاي مشاهده شده ، مقايسه مي شوند تا اعتبار محاسبات معين شود و روش هاي محاسباتي اصلاح شوند.
يک هدف مهم مرتبط به تحقيق ارائه شده ، پتانسيل آن براي استفاده از مواد پيشرفته با پايه سيمان در سازه هاي مسکوني است. ايت مواد مزيت هاي مهمي نسبت به مواد پايه چوبي رايج دارد (مقاوم به آتش و دوام زياد). اگر چه استفاده از آن ها به دليل وزن مخصوص بالا و چقرمگي کم محدود شده است.

Plasma Sprayed Functionally Graded Zr O2 / Ni Co Cr Al Y Thermal Barrier Coating :

با توسعه بسيار سريع دانش هوا – فضا ، موادي که قابليت تحمل شرليط محيطي بسيار سخت مانند دماهاي بسيار زياد و يا تغييرات دمايي بسيار زياد در موتور هاي توربيني و ديزلي را دارند ، مورد نياز است. به طور سنتي و مرسوم ، پوشش هاي ضد حرارتي که به وسيله پلاسما اسپري مي شوند (TBC) ، با آلياژ هاي پايه نيکل به عنوان پوشش مقاوم به اکسيداسيون و سراميک هاي Zr O2 به عنوان پوشش مقاوم به گرما در لايه بالايي ماده ، مورد استفاده قرار مي گيرند.

اگرچه اين روش مشکلاتي مانند دوام کم در سيکل هاي حرارتي ( به دليل آن که پيوند هاي درون ماده سست است) ، مقاومت کم در برابر اکسيداسين و خوردگي ، و لايه لايه شدن دارد ، اين مشکلات مي توانند با استفاده از پوشش هاي حرارتي با مواد تابعي (Functionally Graded TBCs) بر طرف شوند. ايده ي منحصر به فرد مواد تابعي ، ايجاد کردن يک کامپوزيت جديد است که خواص آن از سراميک هاي مقاوم به حرارت تا فلزات مقاوم به شکست تغيير مي کند.

با استفاده از اين مواد ، بسياري از خواص حرارتي و مکانيکي بهبود پيدا مي کند. انتخاب فرايند توليد در اين روش بسيار سخت و حساس است و بايد به گونه اي انتخاب شود که خواص مورد نظر و ميزان خلل و فرج ، تنش هاي پسماند و دوام لازم ايجاد شود. همچنين ثابت شده است که کيفيت و يکنواختي پوشش هاي اسپري شونده با پلاسما به وسيله فاکتور هاي زير کنترل مي شوند :
اندازه اوليه پودر ، سرعت ذرات ، اندازه ي نهايي ، شکل ، توزيع فضايي ذرات در ضربه. تمام موارد ذکر شده براي ايجاد کارايي طولاني مدت بايد مطالعه شوند.

مواد تابعي در توربين هاي گازي :

يکي ديگر از استفاده هاي مواد تابعي ، در توربين هاي گازي است. از اين مواد به عنوان درزگير در توربين هاي گازي پيشرفته استفاده مي شود. اين مواد داراي قابليت تحمل دماهاي بالا و مقاومت در برابر اکسايش بيشتر هستند و طول عمر و قابليت اعتماد بيشتري نسبت به مواد رايج دارند. به اين ترتيب مصرف هواي سرد براي فرايند خنک کاري ، وقفه هاي مورد نياز براي بررسي و بازرسي موتور و هزينه هاي تعمير و نگهداري اين توربين ها (اغلب توربين هاي هواپيما ها) کاهش مي يابد. در اين تحقيق ، خواص مرتبط با مواد درز گير دما بالاي پيشرفته ، به طور خاص آلياژ هاي Fe Cr Al و مواد سايشي سراميکي ، به همراه ساختارهاي پيشرفته اين مواد پوششي مثل ساختار ديوار نازک کندويي (شش ضلعي) ، ساختار الياف متغير ، ساختار کره ي تو خالي و همچنين پوشش با خلل و فرج متغير مورد بررسي قرار گرفته است.

 

مکانيزم هاي سايش در کامپوزيت هاي تابعي با زمينه آلومينيوم در حضور يک محلول آبي :

مواد تابعي پايه آلومينيومي تقويت شده با ذرات Si C ، مواد جالب توجهي براي طيف وسيعي از کاربرد ها هستند ، هر گاه يک ترکيب برتر در خواص سطحي و مکانيکي مورد نياز باشد.
در اصل اين مواد براي تهيه ترکيبات بسيار مقاوم در برابر سايش توسعه پيدا کرده اند. همچنين اغلب اين نوع مواد در حضور محيط هاي خشني مانند وسايل دريايي در حضور آب دريا بکار مي روند.
در اين تحقيق ، کامپوزيت هاي آلومينيومي با خواص تابعي (Functionally Graded) ، که از روش ريخته گري گريز از مرکز توليد مي شوند ، مورد بررسي قرار گرفته اند.

مواد تابعي در توليد لوله ها و سيلندر ها :

يکي ديگر از کاربردهاي مواد تابعي ، توليد نوعي از لوله ها (لوله ي سبز) وسيلندرها است. مي توان به طور مثال به لوله هاي سه لايه تابعي اشاره کرد که در اين تحقيق مورد بررسي قرار گرفته اند و از ترک و پيچ و تاب عاري بوده اند و خلل و فرج هم نداشته اند و همه سه لايه فصل مشترک ها ، اتصال کامل داشته اند.

A New Functionally Materials ; Photonic Fractals :

يک ماده تابعي بسيار جديد که Photonic Fractal نام دارد ، اخيراً توليد شده است.اين ماده مي تواند امواج الکترومغناطيس را در يک دي الکتريک مکعب فرکتال Fractal)) به نام اسفنج مِنجر Menger Sponge)) ، به شدت متمرکز کند بدون آن که انعکاس و يا انتقال امواجي در کار باشد. طول موج و فرکانس مود متمرکز شده مي تواند به وسيله ي استفاده از يک معادله ساده که مرتبط با هندسه فرکتالي و ثابت فضايي متوسط دي الکتريک در ساختار اسفنجي منجر مي باشد ، پيش بيني گردد.

کاربرد هاي متنوع زيادي از اين مواد در ارتباطات ، اطلاعات ، انرژي ، حسگر ها ، مراقبت هاي پزشکي و . . . ، مطرح مي شود. در اين تحقيق ، طراحي و توليد فرکتال هاي اسفنجي منجر Menger Sponge)) با رزين اپوکسي و سراميک ها ، پاسخ هاي موجي الکترومغناطيسي ،انتگرال گيري فرکتال هاي فوتونيک (Photonic Fractal) و کاربرد هاي بالقوه ابن مواد مورد بررسي قرار مي گيرند.

Feasibility Study Of FGM Technology In Space Solar Power Systems (SSPS) :

در اين مقاله تحقيقي که در ژاپن درباره ي سيستم هاي فضايي توليد انرژي خورشيدي انجام گرفته است ، ارائه مي شود.
براي ساخت سيستم هاي فضايي توليد انرژي خورشيدي SSPS)) بايد مواد فوق العاده سبک و مواد با بازده تبريل انرژي بالا ، توليد شوند. امکان سنجي تطبيق دادن ايده ي استفاده از مواد تابعي Functionally Graded Materials)) براي ارضاي اين خواسته هاي جديد و تحقيقات پيشرفته براي آينده ي مواد تابعي در اين مقاله معرفي و بحث مي شود.

اصولاً براي توليد انرژي مورد نياز فضاپيماها و ماهواره ها ، بايد از مواد ويژه اي استفاده شود. زيرا استفاده از مواد معمولي باعث افزايش وزن زياد مي شود که افزايش سرسام آور هزينه ها و کاهش کارايي را در پي دارد. در ابتدا ، تولد مواد تابعي Functionally Graded Materials)) ، در بکار بردن اين مواد در صنعت هوا – فضا ، بخصوص در سپر هاي حرارتي شاتل هاي فضايي ، بود. امروزه فن آوري توليد مواد تابعي ، يک چالش علمي پيشرفته و همچنين يک تکنولوژي کليدي براي ساخت سيستم هاي فضايي توليد انرژي خورشيدي SSPS)) است. آزمايش هايي بر روي توليد سيستم هاي فضايي توليد انرژي خورشيدي با اين شيوه ، انجام شده است بطوري که در ۲۰ تا ۳۰ سال ديگر ، به آن جنبه ي تجاري و عملي داده خواهد شد.

The Use of Functionally Graded Poly-SiGe Layers for MEMS
Applications :

MEMS مخفف Systems Electro Mechanical Micro است ويکي ديگر از کاربرد هاي مواد تابعي در ريز سيستم هاي الکترو- مکانيکي MEMS)) است.