مواد تابعی (FGM)

مواد تابعی Functionally Graded Material (به اختصار FGM ) از جمله موادی هستند که به واسطه تغییر تدریجی ترکیبات شیمیایی، توزیع و جهت گیری و یا اندازه فاز تقویت کننده در یک یا چند بعد خواص متفاوتی را در مناطق مختلف از خود بروز می دهند. این تغییر تدریجی ساختار و خواص منجر به گسترش کاربرد این گونه مواد شده است. بخصوص در مواردی که نیاز به خواص متفاوت در مناطق مختلف باشد. با توجه به کاربردهای مختلف این مواد در صنایع هوایی، نظامی و دفاعی، بررسی روش ها و تکنیک های ساخت این مواد از اهمیت و ضرورت بالایی برخوردار است.

ايده مواد مركب (كامپوزيت ها) در پايان دهه 1940 و آغاز دهه 1950 در صنايع دريايي عملي شد. مواد مركب از تركيب دو يا چند ماده متفاوت بوجود می آيند كه خواص فيزيكي متفاوت و گاهي ناسازگار از خود بروز می دهند. عدم سنخيت رفتار مواد کامپوزیتی، موجب ایجاد تمركز تنش و ايجاد گسستگي در مرز لايه ها در اثر بار گذاري مكانيكي و حرارتي مي شود.

در مواد FGM به دليل پيوستگي موجود در خواص مكانيكي، حرارتي و مغناطيسي، تنش ها و گراديان آنها حالت پيوسته اي پيدا مي كنند كه موجب استحكام ماده مي شود و همين تغييرات تدريجي خواص در ساختار مواد FGM موجب استحكام بين لايه هاي مختلف آن مي شود. در صورتي كه در مواد مركب كامپوزيتي، تداخل بين ساختار هاي زمين هاي الياف، نوعي ناهماهنگي در خواص مكانيكي ايجاد مي كند.

مواد FGM در ابتدا در سال 1984 توسط گروهي از دانشمندان در دانشگاه سندائي ژاپن مطرح گرديد. از آن پس بر روي مواد FGM تحقيقات وسيعي انجام شد. بدليل خاصيت تغيير پيوسته این مواد در فضاي با مقياس ماكروسكوپيك، گاهي اوقات استفاده از FGM از نظر رفتار مكانيكي نسبت به مواد با ساختار فيبري، ترجيح داده مي شود.

مواد FGM با توجه به نوع خواص و رفتار مدنظر، می توانند کاربردهای گسترده ای داشته باشند. این خواص شامل خواص حرارتی، خواص مکانیکی (شامل الاستیک، تغییرشکل های پلاستیک، شکست، پوشش دهی)، خواص و رفتارهای ترمومکانیکی و خواص نوری و الکتریکی هستند. بنابراین با توجه به گستردگی و قابلیت های ویژه این مواد، بررسی روش های مختلف ساخت آنها از اهمیت بالایی برخودار است.

مواد FGM با توجه به روش های ساخت، به دو دسته کلی تقسیم می شوند: نازک و حجمی. نوع نازک شامل مقاطع باریک و پوشش های سطحی می شود و نوع دوم شامل شکل های حجمی با فرآیندهای تولید بشدت مشکل هستند. این تقسیم بندی در شکل 2 نشان داده شده است. با در نظر گرفتن قابلیت های این مواد، برخی از کاربرد های مواد FGM عبارت است از: هواپیما، فضاپیما، اتومبیل، کاربردهای دفاعی درپوشش های زره ای، پزشکی، سنسورها، در حوزه انرژی، کاربردهای الکترونوری و… .

 انواع مواد FGM بصورت نازک و حجمی

مواد هدفمند اينگونه توصيف شدند كه فاز تقويت كننده و مواد زمينه در حالت پيوسته (نه بصورت گسسته مانند مواد مركب) بتدریج تغییر می کند. هر ماده چند فازى محدودهایى از فضا را به خود اختصاص می دهد، لذا به صورت تابعى شناخته شده است.

اين مواد قادر به تحمل درجه حرارت بسيار بالا و اختلاف درجه حرارت شديد بوده و مقاوم در مقابل خوردگي و سايندگي بوده و مقاومت بالايي در مقابل شكست دارند. در حال حاضر از اين مواد براي سازه هايي كه بايد در مقابل درجه حرارت بالا مقاوم باشد، استفاده مي شود. امكان بهينه كردن تغييرات تنش در مواد هدفمند با تغيير مناسب پروفيل مواد ساختاري از ويژگي هاي برجسته اين مواد است. با پيشرفت صنايع جديد، بسيارى از ماشين ها و سازه ها با دماى بالا مواجه هستند كه انواع مختلف بارگذاری هاى حرارتى را در پى خواهد داشت.

یکی از علت های تنش حرارتى، افزايش دما می باشد. وقتى يك ماده با تغييرات دما روبرو می شود، لايه هاى مختلف ماده، مقادير مختلفى انبساط پيدا می كند. براى حفظ پيوستگى ماده، يك سيستم تنش و كرنش حرارتى معرفى می شود كه بستگى به شكل جسم و توزيع دما در جسم دارد. حتى هنگامى كه تغييرات دما وجود ندارد، ممكن است تنش حرارتى به وجود آيد. به طور مثال هنگامى كه انبساط آزاد توسط قيدهاى خارجى محدود می شود. اين مورد هنگامى رخ می دهد كه يك جسم، از مواد مختلفى با ضرايب انبساط مختلف تشكيل شده و يا داراى ناهمگنى در ريز ساختار باشد. قطعاتى كه از جنس مواد ترد هستند، تنش هاى حرارتى (به اضافه تنش هاى مكانيكى حاصل از نيروهاى خارجى) می تواند باعث ايجاد ترك و شكست قطعه شود.

امروزه کشورهای محدودی این مواد را در محصولات تجاری استفاده می کنند. به عنوان مثال شرکت متریال میتسوبیشی اینسرت های ماشینکاری با پوشش دهی کارباید و با مکانیزم مواد FGM را تولید می کند که از این طریق مقاومت به ضربه و تغییر شکل پلاستیک در این اینسرت ها اصلاح گردیده است.

مواد تابعی توسط روشهای زیر قابل ساخت و تولید می باشند:

1- روش رسوب بخار (Vapor Deposition) که خود شامل روشهای زیر می باشد:

رسوب بخار فيزيکی (Physical Vapor Deposition)

رسوب بخار شيميايي (Chemical Vapor Deposition)

2- روش شکل دهی آزاد صلب (Solid Freeform)

3- روش متالورژی پودر (Powder Metallurgy)

4- روش تزريق (Extrusion Method)

5- روش گريز از مرکز (Centrifugal Method)