مواد و ساخت پیشرفته

شیب عملکردی یک مفهوم است که اغلب در طبیعت اتفاق می‌افتد. این مفهوم می‌تواند در طراحی و ساخت مواد پیشرفته با عملکرد و خواص ویژه اجرا شود. مواد درجه‌بندی‌شده تابعی (FGMs) می‌توانند به‌طور مؤثر مشکلات مربوط به فصل مشترک در اتصالات بسیار سخت- نرم را از بین ببرند و بنابراین این مواد می‌توانند کاربردهای بسیار زیاد و متنوعی در صنایع با فناوری پیشرفته مانند زمینه‌های هوافضا و زیست پزشکی داشته باشند.
اخیراً دانشمندان با استفاده از روش‌های تولید افزودنی (چاپ سه‌بعدی) چند ماده‌ای، مبتنی بر مدل‌سازی Voxel، که بر اساس پرتاب مواد کار می‌کنند، رفتار شکست کامپوزیت‌های تابعی درجه‌بندی‌شده سخت – نرم را بررسی کرده‌اند. آنها روش تولید افزودنی (چاپ سه‌بعدی) و تست‌های مکانیکی برای دو نوع عمده از کامپوزیت‌های درجه‌بندی‌شده تابعی، عمدتاً کامپوزیت‌های با گرادیان پیوسته و پله‌ای طراحی کردند. علاوه بر آن طول ناحیه انتقالی بین مواد سخت و نرم را تغییر دادند به‌گونه‌ای که 5%، 25%، 50% و 100% عرض نمونه را پوشش می‌داد.
نتایج نشان داد که جز کرنش شکست، خواص شکست نمونه‌های درجه‌بندی‌شده، با افزایش طول ناحیه انتقالی کاهش می‌یابد. علاوه بر آن دریافتند که نمونه‌های با انتقال ناگهانی سخت به نرم، به‌طور برجسته‌ای خواص شکست بهتری از نمونه‌هایی دارند که گرادیان پیوسته‌ای در آنها وجود دارد.
همچنین در میان کامپوزیت‌ها، مواردی که گرادیان پله‌ای دارند نسبت به آن‌هایی که گرادیان پیوسته دارند، مقاومت شکست نسبتاً بهتری دارند. در مقابل، FGM های با گرادیان پیوسته مقادیر بالاتری از سفتی الاستیک و انرژی شکست نشان دادند که باعث می‌شود هر تابع گرادیان برای یک نوع بارگذاری مناسب می‌باشد. علاوه بر آن، بدون توجه به تابع گرادیان استفاده شده در طراحی نمونه‌ها، با کاهش طول ناحیه انتقالی از 100% تا 5% عرض نمونه، مقاومت به شکست FGM افزایش می‌یابد.

منبع:
Fracture Behavior of Bio-Inspired functionally graded Soft-Hard composites made by Multi-Material 3D- Printing: The case of Colinear Cracks, Materials Journal, 26 August 2019