مواد طبقه بندی شده تابعی (FGM)

نویسنده: نیلوفر حنفی و با تشکر از مهندس آروین نانوا          تاریخ انتشار: ۱۴۰۱/۰۱/۰۲          مدت زمان تقریبی مطالعه: ۱۲ دقیقه

تاریخچه

فلزات خالص به دلیل تعارض تقاضای‌های مورد نیاز در زمینه‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ی مهندسی کاربردی ،خیلی کم مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال موقعیتی را در نظر بگیرید که به یک ماده با ویژگی سخت و در عین حال انعطاف پذیر احتیاج داریم؛ لازم به ذکر است همچین ماده‌هایی در طبیعت وجود ندارد. برای حل این مشکل موادی به نام آلیاژها مطرح می‌شوند (محققان ان را به نام الیاژ معمولی تلقی می‌کنند). آلیاژ ها از ترکیب یک فلز با یک ماده‌ی دیگر (فلز یا غیرفلز) در حالت مذاب تشکیل می‌شوند.این فرم جدید مواد، ویژگی متفاوتی به نسبت مواد اولیه‌ای که در تشکیل آن‌ها دخیل بودند،دارند. مثال:آلیاژی به نام برنز که متشکل از مس و قلع است. به دنبال این موضوع، بشریت همواره در تلاش تولید هر چه بیشتر آلیاژها با ویژگی‌های متمایز‌تر بود، اما با پیشروی این روش با محدودیت‌هایی روبه رو شد: همه‌ی مواد را به دلیل تعادل ترمودینامیکی، نمی‌توان درمحلول یکدیگر حل کرد، آلیاژ‌های سنتی به دلیل مطلوب بودن تعداد زیادی از مواد آلیاژی، دیگر پاسخگو نبودند، مقرون به صرفه نبودن تولید آلیاژی که از ترکیب کردن موادی غیر همسان با دمای ذوب متفاوت حاصل می‌شود.

متالورژی پودر (Powdered metallurgy)  که به اختصار به آن PM گفته می‌شود. قطعات تولیدی حاصل از این روش را نمی‌توان با روش تولید آلیاژ معمولی به دست آورد. آلیاژ تولیدی توسط این روش به شکل پودر است. این روش تعدادی از محدودیت‌هایی که روش تولید آلیاژ معمولی داشت را پوشش می‌دهد اما از نقاط منفی این روش این است که در صورت تولید قطعات با فرم و شکل پیچیده، آلیاژ حاصل متخلخل و دارای استحکام ضعیفی خواهد بود.

ترکیب مواد در فرم جامد: این روش، برای تولید مواد در سطح پیشرفته است که اصطلاحا به مواد کامپوزیت (Composite material) معروف‌اند. از ویژگی‌های فوق‌العاده‌ی این دسته از مواد، این است که خواص کاملا متفاوتی نسبت به مواد تشکیل دهنده‌شان دارند ونسبت به مواد اولیه‌شان سبک ترند.از نقاط ضعف این روش، این است که مواد تولیدی تحت شرایط شدید کار، طی پروسه‌ایی به نام لایه‌برداری شکست می‌خورند. از جمله زمانی که بخواهیم دو فلز را با ضریب انبساط متفاوت، طی فرایندی دخیل با دمای بالا استفاده کنیم؛ پروسه موفقیت آمیز نخواهد بود.

در نهایت برای حل این مشکلات در سال ۱۹۸۴ مواد FGM توسط گروهی از دانشمندان در دانشگاه سندائی ژاپن در جریان یک پروژه‌ی فضایی باز، مطرح گردید. آن‌ها با چالشی روبه‌رو بودند که برای مواجه با یک هواپیمای مافوق صوت، به یک مانع حرارتی احتیاج داشتند. هدف، طراحی قطعه‌ایی بود که یک سر دمایی معادل K 2000 را تحمل کند و در ضخامت mm 10 دمای قطعه به K 1000 تغییر کند. در نتیجه این موضوع، زمینه‌ایی برای انجام تحقیقات وسیع، بر‌‌روی مواد FGM شد.

تعریف مواد طبقه بندی شده‌ی تابعی (FGM)

درعلم مواد، به موادی با ساختار جدید و پیشرفته در عین حال دارای ساختاری ناهمگن، مواد طبقه بندی شده‌ی تابعی گفته می‌شود. این مواد دارای خواص متعددی همچون خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی‌و… هستند؛ در نتیجه دارای کاربرد گسترده‌ایی می‌باشند. خواص مکانیکی این دسته از مواد به طور پیوسته از سطحی به سطح دیگر تغییر میکند و این تغییرات، توسط تغییر تدریجی نسبت حجمی مواد تشکیل دهنده‌ی آنها ایجاد میشود. مواد FGM به طور معمول از دو ماده‌ی فلز و سرامیک ساخته می‌شوند، پس می‌توان نتیجه گرفت ویژگی ضریب انتقال حرارت پایین ومقاومت بالا در برابر درجه حرارت، حاصل از ساختار سرامیک و ویژگی انعطاف پذیری، حاصل از ساختار فلز است. در سال‌های اخیر استفاده از این مواد دراروپا به ویژه کشور المان مورد توجه قرار گرفته‌است. ساختار مواد FGM در طبیعت در بافت‌‌های زیست جانوری قابل مشاهده است؛ مثل: استخوان و دندان و گیاهان‌و… .

شکل۱‌- بافت دندان و استخوان و گیاهان در مقیاس میکروسکوپی

انواع مواد FGM

مواد FGM بر اساس رفتارشان به دو دسته تقسیم میشوند:

  1. نازک (Thin FGM)
  2. حجیم (Bulk FGM)

۱- نازک (Thin FGM): نوع نازک مواد طبقه بندی شده‌ی تابعی، شامل مقاطع باریک و پوشش‌های سطحی می‌شود؛ در حالی که نوع حجمی، شامل شکل‌های حجمی است‌ که فرایند‌های تولید به شدت مشکلی دارد. نوع نازک مواد FGM توسط لایه نشانی بخار شیمیایی (CVD)، انباشت بخار فیزیکی (PVD)، اسپری پلاسما، سنتز با دمای بالای خود تکثیر شونده تولید می‌شود.

۲- حجیم (Bulk FGM): نوع حجیم مواد FGM از طریق روش‌های تکنیک متالورژی پودر (PM)، ریخته گری گریز از مرکز، روش ریخته گری لغزشی تحت گرادیان میدان مغناطیسی، انجماد جهت دار، فرایند‌ شکل‌دهی ازاد جامد تولید می‌شود.

بررسی معروف‌ترین روش‌های تولید مواد FGM

۱-تکنیک رسوب بخار

این تکنیک خود به چندین روش تقسیم می‌شود که شامل :

۱-۱- لایه‌نشانی بخار شیمیایی (Chemical vapor deposition):

یکی از روش‌های لایه نشانی در خلأ برای تولید مواد با کیفیت، باکارایی بالا و جامد می‌باشد. از این‌ روش، معمولا در صنایع نیمه رسانا برای تولید نوع نازک مواد FGM استفاده می‌شود. این نوع لایه نشانی ممکن است از طریق چند نوع واکنش شیمیایی انجام شود به عنوان مثال: گرما کافت و نورکافت‌ و… .

 

شکل۳- تکنیک لایه نشانی بخار شیمیایی

۲-۱- انباشت بخار فیزیکی (Physical vapor deposition):

یکی از روش‌های انباشت در خلأ می‌باشد که میتوان برای تولید نوع نازک مواد FGM استفاده کرد. انباشت بخار فیزیکی فرایندی است که در آن ماده از فاز یک جامد یا مایع به یک فاز بخار تبدیل شده و سپس دوباره به صورت یک لایه‌ی نازک در یک فاز جامد یا مایع برروی سطح انباشته می‌شود. اسپری و تبخیر از متدوال‌ترین فرایندهای انباشت فیزیکی بخار است.

شکل۴- تکنیک انباشت بخار فیزیکی

از این روش‌ها برای سپرده‌سازی عملکردی پوشش سطحی درجه بندی شده، استفاده می‌شود. از نقاط قوت این روش‌ها این است که ریزساختار فوق العاده‌ایی را ارائه می‌دهد و از نقاط ضعف آن می‌توان گفت که از این روش تنها برای تولید نوع نازک مواد FGM می‌توان استفاده کرد. انرژی تولیدی در این روش به فرم فشرده است و تولید گازهای سمی از جمله محصولات جانبی این فرایند است.

از روش‌های دیگر برای تولید درجه‌بندی عملکردی پوشش (Functionally graded coating)  اسپری پلاسما، رسوب الکتریکی، الکتروفورتیک، رسوب به کمک پرتو یونی (IBAD)، سنتز خود تکثیر در دمای بالا است. روش‌های ذکر شده برای تولید نوع حجیم مواد FGM غیر قابل استفاده است به دلیل اینکه عموما پروسه‌ی فرایند کند صورت می‌گیرد و انرژی بر بودن آن است در نتیجه برای تولید این نوع از مواد طبقه بندی شده‌ی تابعی در مقیاس صنعتی، اصلا مقرون به صرفه نیست.

۲-متالورژی پودر (Powder Metallurgy):

متالورژی پودر (PM)، روشی برای تولید نوع حجیم مواد FGM است.این فرایند طبق سه مرحله صورت می‌گیرد: وزن کردن و میکس کردن پودر با توجه به توزیع فضایی از پیش طراحی شده (پودر خالص و مواد روانساز)، فشرده سازی پودرهای پیش مخلوط و در نهایت شکل‌دهی از طریق فرایند تف جوشی. در این روش، امکان ساخت قطعات بزرگ وجود دارد و از طرفی این تکنیک باعث ایجاد یک ساختار لایه به لایه می‌شود.

شکل۵- فرایند متالورژی پودر

۳-ریخته‌گری گریزازمرکز (Centrifugal Method):

در این روش از طریق تاثیر دادن نیروی گرانشی حین عمل چرخش به حول یک مرکز مشخص، ماده‌ی FGM از نوع حجیم در فرم قالبی که در ان مواد، قبل فرایند قرار گرفته بودند، تولید می‌شود. تفاوت تراکم مواد استفاده شده و چرخش در قالب، از جمله عواملی است که سبب تشکیل مواد FGM می‌شود. از نقاط ضعف این روش این است که مواد تولیدی، تنها به فرم اشکال هندسی استوانه‌ایی هستند و اینکه در نوع گرادیان تولیدی، محدودیت وجود دارد.

شکل۶ – فرایند ریخته گری گریز از مرکز

۴-فرایند‌ شکل‌دهی آزاد جامد (Solid Freeform Fabrication Method):

نام دیگر این روش پرینت ۳ بعدی است. این روش یکی از انواع تکنولوژی نمونه سازی سریع (Rapid Prototyping) است که در دانشگاه M.I.T بسط و توسعه یافته است. در این روش احجام به وسیله (Printing) متوالی، لایه‌های دو بعدی تولید می‌شوند. در این فرایند، مخلوط پودر و چسب گرم با پارامترهای جریان مناسب با یک جت اکستروژن، در دو بعد اسپری می‌گردد؛ جامد مخلوط به فرم بدنه تشکیل می‌شود. از طرفی هر لایه از قطعه به وسیله‌ی پخش کردن یک لایه‌ی نازک از پودر و اتصال پودرها با استفاده از ماده‌ی چسبی (Binder) ایجاد میگردد. عمل تشکیل لایه‌ها تا زمانی که شکل و ترکیب نهایی حاصل گردد ادامه میابد. این روش یکی از منعطف‌ترین نوع فناوری برای تولید مواد FGM است زیرا از طریق کنترل نوع ومقدارچسب مورد استفاده و پارامتر های Printing، می‌توان مواد FGM را به هرشکل هندسی و به آسانی تولید کرد.

شکل ۷- فرایند شکل‌دهی ازاد جامد

نقاط قوت مواد FGM

  1. مقاومت زیاد در برابر بارهای مکانیکی بالا
  2. مقاومت زیاد در برابر رشد ترک
  3. مقاومت زیاد در برابر احتمال جدا شدن لایه‌ی ترد بر روی مواد نرم
  4. کاهش تمرکز تنش در جسم جامد
  5. مقاومت زیاد در برابر گرادیان دمایی بالا

زمینه‌های کاربرد مواد FGM

۱-هوافضا:

مواد FGM این قابلیت را دارند که گرادیان حرارتی بسیار بالا را تحمل کنند. همین موضوع باعث می‌شود که بتوان از این مواد در سازه و بدنه ی هواپیمای فضایی ،قسمت‌هایی از موتور موشک استفاده کرد. در صورت بهبود تکنیک پردازش، امید است که بتوان از مواد FGM در زمینه‌های وسیع‌تری از هوافضا استفاده کرد.

شکل ۸- سازه و بدنه ی هواپیما

۲-پزشکی:

بافت‌های زنده از جمله استخوان و دندان نمونه‌هایی هستند که در صورت نیاز جایگزینی باید یک ماده‌ی سازگار با نقش بافت زیست اصلی یافت. در این موقعیت‌ها کاندیدای ایده‌ال، مواد FGM هستند. مواد FGM کاربرد بسیار گسترده‎ایی دردندانپزشکی دارند. دندان و روکش‌های دندانی نمونه‌ایی فوق العاده از کاربرد موادFGM در این زمینه است؛ به دلیل مقاومت سایشی بالا در بیرون دندان، ساختار داخلی منعطف و به دلیل زیباشناسی برای ناحیه بیرون دندان دارای مجموعه‌ی خاصی از تفاوت‌های رنگی است. از این مواد برای ارتوپدی، جایگزینی استخوان و دندان نیز استفاده میشود.

شکل ۹- ارتوپدی، جایگزینی دندان

شکل ۱۰- ارتوپدی، جایگزینی استخوان

۳-دفاع:

یکی از بارزترین ویژگی‌های مواد FGM جلوگیری از انتشار ترک است. همین ویژگی باعث می‌شود که در زمینه‌ی کاربردی دفاع، مفید واقع شود. جلیقه‌ی ضد گلوله و صفحات زرهی از جمله مواردی است که به دلیل ویژگی مقاومت در برابر نفوذ، در ساخت ان ها از مواد FGM استفاده می‌کنیم.

شکل ۱۱- بافت جلیقه‌ی ضد گلوله

۴-انرژی:

از مواد FGM در تبدیل انرژی و به دلیل خاصیت مانع حرارتی، به عنوان محافظ روی پره‌های توربین در  موتور توربین گازی استفاده می‌شود.

شکل ۱۲- مدل سازی پره‌ی توربین

از دیگر کاربردهای ماده‌ی FGM: پوشش درج ابزار برش، اجزای موتور خودرو، اجزا راکتور هسته‌ایی، تیغه‌ی توربین، مبدل حرارتی، تریبولوژی، سنسورها، درب‌های ضد حریق و… .

برای دانلود PDF این مطلب بر روی لینک کلیک نمایید.
منابع

 

 

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *