دانلود مقاله مواد تابعی

word قابل ویرایش
12 صفحه
4700 تومان

مواد تابعی

این تحقیق درباره Functionally Graded Material یا مواد تابعی است. در ابتدا مقدمه ای درباره این مواد و چگونگی ساختار آن ها ذکر شده است. سپس به کاربرد های مختلف این مواد در صنعت پرداخته شده که عمدتاً از مقاله های مختلف علمی استخراج شده اند و تا حد امکان سعی به ترجمه دقیق آن ها شده است و در موارد خاص ، ساده سازی در تر جمه لحاظ شده است. لذا برای کسب اطلاعات بیشتر و دقیق تر، عین مطالب و مقاله های ترجمه شده در انتها آورده شده است.

مقدمه :
مواد تابعی (FGM) مواد جدید و پیشرفته می‌باشند که از نظر میکروسکپی غیر هموژن بوده و خواص مکانیکی آنها به ‌طور پیوسته از یک سمت سازه تا سمت دیگر تغییر می‌کند. این تغییرات مواد به‌ صورت تدریجی با تغییر نسبت حجمی دو ماده ساختاری ایجاد می‌شود. برای اولین بار این ماده در ژاپن در سال ۱۹۸۴ توسط دانشمندان ساخته شد. معمولاً این مواد از دو ماده ساختاری سرامیک و فلز ساخته می‌شود. ماده ساختاری سرامیک به ‌علت ضریب انتقال حرارت کم و مقاومت زیاد در مقابل درجه حرارت ، درجات حرارت بسیار بالا را تحمل کرده و ماده ساختاری فلز انعطاف پذیری لازم را فراهم می‌کند.

به‌ علاوه اختلاط سرامیک و فلز با تغییرات پیوسته از یک سطح تا سطح دیگر در یک سازه به آسانی قابل ساختن می‌باشد. به‌ علت تغییرات پیوسته خواص مکانیکی مشکلات عدم پیوستگـی که در سازه‌های کامپوزیت وجود دارد در مواد FGMبه ‌وجود نمی‌آید. این مواد ابتدا برای ایجاد سپر حرارتی در سازه‌های مختلف است. مزیت استفاده این مواد این است که قادر به تحمل درجات حرارت بسیار بالا و اختلاف درجه حرارت بسیار بالا بوده و مقاوم در مقابل خوردگی و سایندگی بوده و مقاومت بالایی در مقابل شکست دارند. در حال حاضر از این مواد برای سازه‌هایی که در مقابل درجات حرارت بالا باید مقاوم باشند استفاده می‌شود. از نکات بسیار برجسته این مواد بهینه ‌نمودن تغییرات تنش در آنها با تغییر مناسب پروفیل تغییرات مواد ساختاری است.

کاربرد ها :
مواد تابعی موادی هستند که در آن ها ترکیب ها یا ریز ساختار ها تغییر می کنند.به طوری که تغییرات بخصوص در خواص ماده بوجود می آید. مواد تابعی مدرن برای مصارف پیچیده بکار می روند مانند سپرهای حرارتی در شاتل های فضایی و راکت ها، مدارات کامپیوتری و کاشت اعضای مصنوعی بدن انسان. گذار تدریجی بین لایه بیرونی مقاوم به حرارت یا خوردگی (معمولاً سرامیکی)، به زمینه مقاوم فلزی، در بیشتر موارد عمر ماده را زیاد می کند.

از مصارف مواد تابعی، پوشش های مقاوم به خوردگی و فرسایش که برای جابجایی سنگ های معدن ساینده و سنگین بکار می روند، مجراهای مبدل هی حرارتی، ژنراتورهای ترموالکتریک (دما برقی)، اجزای ماشین های حرارتی، صفحات منتشر کننده حرارت، روکش های پلاسما برای راکتورهای همجوشی هسته ای و اتصالات عایق الکتریسیته فلزی-سرامیکی هستند. همچنین آن ها برای کاهش عدم مطابقت در اتصالات فلزی-سرامیکی بکار می روند.

از مصارف دیگر FGM ها می توان به کاربرد آن ها در سنسور ها، سپر های مغناطیسی ، فن آوری هسته ها (محفظه های نگهدارنده ی مقاوم به دماهای فوق العاده زیاد پلاسما در هم جوشی هسته ای) ، در زیست فن آوری (بیو تکنولوژی در استخوان ها و دندان های مصنوعی) ، اشاره کرد.

استفاده از مواد تابعی (FGM) به منظور کاهش و یا کنترل تغییر شکل در اثر حرارت :

بسیاری از اجزای نازک ساختار ها مثل تیر ها ، صفحه ها ، پوسته ها ، دارای تغییرات حرارتی در ضخامت هستند. این تغییرات حرارتی می توانند منجر به تغییر شکل های حرارتی ، شامل اجزای درون صفحه ای و هم اجزای انحنا دار برون صفحه ای (مثل خم ها) شوند. اگر هدف ما کاهش تغییر شکل حرارتی یک جزء و یا همسان کردن آن با تغییر شکل حرارتی یک جزء دیگر باشد ، می توان به وسیله استفاده از کامپوزیت هایی که الیاف آن ها ضریب انبساط طولی منفی دارند ، به این هدف نائل شد.

بوسیله تغییر دادن نسبت حجمی (Volume Fraction) الیاف درون یک تیر لایه ای متقارن ، به منظور تولید یک ماده تابعی (FGM) ، می توان تغییر شکل های حرارتی خاص را کنترل کرد. به طور خاص ، یک تیر می تواند طوری طراحی شود که در اثر تغییرات حرارتی حالت پایدار در جهت ضخامت ، دچار انحنا نشود. این نتیجه در محدوده ی خواص ثابت اجزای سازنده ، مستقل از مقادیر حرارتی واقعی است.

همچنین تیر می تواند طوری طراحی شود که با یک ضریب انبساط درون صفحه ای همسان یا نزدیک شود و یا با یک سختی طولی مورد نظر همسان شود. با ترکیب دو نوع الیاف به منظور تولید ماده تابعی ورگانه ، می توان افزایش های دلخواه در سختی طولی و خم ها را ارائه کرد در حالی که رفتار تغییر شکل حرارتی مفید ، باقی می ماند.

استفاده از مواد تابعی با پایه سیمان در سازه های مسکونی :

در این پروژه ، تولید مواد تابعی با پایه سیمان برای سازه های مسکونی به وسیله فایند اکستروژن مورد بررسی قرار می گیرد. دو هدف ابتدایی عبارتند از :
۱) ایجاد کردن اجزای سازه ها (مثل پوشش های یاختمان) که دارای ساختار های سلولی مختلف هستند به طوری که در مرکز بسیار متخلخل و در سطح خارجی چگال و فشرده هستند. به این ترتیب وزن مخصوص کل کاهش می یابد بدون آن که نفوذپذیری و عدم استحکام حاصل از وجود خلل و فرج زیاد ، ایجاد شود.

۲) هدف درم ایجاد اجزایی مانند تیر ها با فیبرهای (الیاف) تقویتی درجه بندی شده است. به طوری که بیشترین تمرکز فیبر ها در کف (زیر) تیر ایجاد می شود ، جایی که کرنش کششی بیشترین است. از این رو از خواص مکانیکی فوق العاده فیبرها در کامپوزیت های اکسترود شده با پایه سیمان استفاده مفید می شود در حالی که حجم کل فیبرها کمتر می شود.

این مواد به وسیله فرایند اکستروژن همزمان چندین جزء ، طی چند مرحله اکستروژن تولید می شود.نمونه های تولید شده به وسیله روش Scanning Electron Microscopy مورد آزمایش قرار می گیرند تا مشخص شود که پروسه تولید ریزساختارهای دلخواه تولید شده است یا خیر.

خواص مهندسی مانند مدول الاستیسیته ، ضریب پواسون ، استحکام ، سختی شکست و . . . ، بر اساس مقیاس هاس ماکروسکوپی و میکروسکوپی محاسبه می شوند. خواص مکانیکی محاسبه شده با کامپیوتر ، با خواص اندازه گیری شده و ریزساختارهای مشاهده شده ، مقایسه می شوند تا اعتبار محاسبات معین شود و روش های محاسباتی اصلاح شوند.
یک هدف مهم مرتبط به تحقیق ارائه شده ، پتانسیل آن برای استفاده از مواد پیشرفته با پایه سیمان در سازه های مسکونی است. ایت مواد مزیت های مهمی نسبت به مواد پایه چوبی رایج دارد (مقاوم به آتش و دوام زیاد). اگر چه استفاده از آن ها به دلیل وزن مخصوص بالا و چقرمگی کم محدود شده است.

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

با توسعه بسیار سریع دانش هوا – فضا ، موادی که قابلیت تحمل شرلیط محیطی بسیار سخت مانند دماهای بسیار زیاد و یا تغییرات دمایی بسیار زیاد در موتور های توربینی و دیزلی را دارند ، مورد نیاز است. به طور سنتی و مرسوم ، پوشش های ضد حرارتی که به وسیله پلاسما اسپری می شوند (TBC) ، با آلیاژ های پایه نیکل به عنوان پوشش مقاوم به اکسیداسیون و سرامیک های Zr O2 به عنوان پوشش مقاوم به گرما در لایه بالایی ماده ، مورد استفاده قرار می گیرند.

اگرچه این روش مشکلاتی مانند دوام کم در سیکل های حرارتی ( به دلیل آن که پیوند های درون ماده سست است) ، مقاومت کم در برابر اکسیداسین و خوردگی ، و لایه لایه شدن دارد ، این مشکلات می توانند با استفاده از پوشش های حرارتی با مواد تابعی (Functionally Graded TBCs) بر طرف شوند. ایده ی منحصر به فرد مواد تابعی ، ایجاد کردن یک کامپوزیت جدید است که خواص آن از سرامیک های مقاوم به حرارت تا فلزات مقاوم به شکست تغییر می کند.

با استفاده از این مواد ، بسیاری از خواص حرارتی و مکانیکی بهبود پیدا می کند. انتخاب فرایند تولید در این روش بسیار سخت و حساس است و باید به گونه ای انتخاب شود که خواص مورد نظر و میزان خلل و فرج ، تنش های پسماند و دوام لازم ایجاد شود. همچنین ثابت شده است که کیفیت و یکنواختی پوشش های اسپری شونده با پلاسما به وسیله فاکتور های زیر کنترل می شوند :
اندازه اولیه پودر ، سرعت ذرات ، اندازه ی نهایی ، شکل ، توزیع فضایی ذرات در ضربه. تمام موارد ذکر شده برای ایجاد کارایی طولانی مدت باید مطالعه شوند.

مواد تابعی در توربین های گازی :

یکی دیگر از استفاده های مواد تابعی ، در توربین های گازی است. از این مواد به عنوان درزگیر در توربین های گازی پیشرفته استفاده می شود. این مواد دارای قابلیت تحمل دماهای بالا و مقاومت در برابر اکسایش بیشتر هستند و طول عمر و قابلیت اعتماد بیشتری نسبت به مواد رایج دارند. به این ترتیب مصرف هوای سرد برای فرایند خنک کاری ، وقفه های مورد نیاز برای بررسی و بازرسی موتور و هزینه های تعمیر و نگهداری این توربین ها (اغلب توربین های هواپیما ها) کاهش می یابد. در این تحقیق ، خواص مرتبط با مواد درز گیر دما بالای پیشرفته ، به طور خاص آلیاژ های Fe Cr Al و مواد سایشی سرامیکی ، به همراه ساختارهای پیشرفته این مواد پوششی مثل ساختار دیوار نازک کندویی (شش ضلعی) ، ساختار الیاف متغیر ، ساختار کره ی تو خالی و همچنین پوشش با خلل و فرج متغیر مورد بررسی قرار گرفته است.

 

مکانیزم های سایش در کامپوزیت های تابعی با زمینه آلومینیوم در حضور یک محلول آبی :

مواد تابعی پایه آلومینیومی تقویت شده با ذرات Si C ، مواد جالب توجهی برای طیف وسیعی از کاربرد ها هستند ، هر گاه یک ترکیب برتر در خواص سطحی و مکانیکی مورد نیاز باشد.
در اصل این مواد برای تهیه ترکیبات بسیار مقاوم در برابر سایش توسعه پیدا کرده اند. همچنین اغلب این نوع مواد در حضور محیط های خشنی مانند وسایل دریایی در حضور آب دریا بکار می روند.
در این تحقیق ، کامپوزیت های آلومینیومی با خواص تابعی (Functionally Graded) ، که از روش ریخته گری گریز از مرکز تولید می شوند ، مورد بررسی قرار گرفته اند.

مواد تابعی در تولید لوله ها و سیلندر ها :

یکی دیگر از کاربردهای مواد تابعی ، تولید نوعی از لوله ها (لوله ی سبز) وسیلندرها است. می توان به طور مثال به لوله های سه لایه تابعی اشاره کرد که در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته اند و از ترک و پیچ و تاب عاری بوده اند و خلل و فرج هم نداشته اند و همه سه لایه فصل مشترک ها ، اتصال کامل داشته اند.

A New Functionally Materials ; Photonic Fractals :

یک ماده تابعی بسیار جدید که Photonic Fractal نام دارد ، اخیراً تولید شده است.این ماده می تواند امواج الکترومغناطیس را در یک دی الکتریک مکعب فرکتال Fractal)) به نام اسفنج مِنجر Menger Sponge)) ، به شدت متمرکز کند بدون آن که انعکاس و یا انتقال امواجی در کار باشد. طول موج و فرکانس مود متمرکز شده می تواند به وسیله ی استفاده از یک معادله ساده که مرتبط با هندسه فرکتالی و ثابت فضایی متوسط دی الکتریک در ساختار اسفنجی منجر می باشد ، پیش بینی گردد.

کاربرد های متنوع زیادی از این مواد در ارتباطات ، اطلاعات ، انرژی ، حسگر ها ، مراقبت های پزشکی و . . . ، مطرح می شود. در این تحقیق ، طراحی و تولید فرکتال های اسفنجی منجر Menger Sponge)) با رزین اپوکسی و سرامیک ها ، پاسخ های موجی الکترومغناطیسی ،انتگرال گیری فرکتال های فوتونیک (Photonic Fractal) و کاربرد های بالقوه ابن مواد مورد بررسی قرار می گیرند.

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

در این مقاله تحقیقی که در ژاپن درباره ی سیستم های فضایی تولید انرژی خورشیدی انجام گرفته است ، ارائه می شود.
برای ساخت سیستم های فضایی تولید انرژی خورشیدی SSPS)) باید مواد فوق العاده سبک و مواد با بازده تبریل انرژی بالا ، تولید شوند. امکان سنجی تطبیق دادن ایده ی استفاده از مواد تابعی Functionally Graded Materials)) برای ارضای این خواسته های جدید و تحقیقات پیشرفته برای آینده ی مواد تابعی در این مقاله معرفی و بحث می شود.

اصولاً برای تولید انرژی مورد نیاز فضاپیماها و ماهواره ها ، باید از مواد ویژه ای استفاده شود. زیرا استفاده از مواد معمولی باعث افزایش وزن زیاد می شود که افزایش سرسام آور هزینه ها و کاهش کارایی را در پی دارد. در ابتدا ، تولد مواد تابعی Functionally Graded Materials)) ، در بکار بردن این مواد در صنعت هوا – فضا ، بخصوص در سپر های حرارتی شاتل های فضایی ، بود. امروزه فن آوری تولید مواد تابعی ، یک چالش علمی پیشرفته و همچنین یک تکنولوژی کلیدی برای ساخت سیستم های فضایی تولید انرژی خورشیدی SSPS)) است. آزمایش هایی بر روی تولید سیستم های فضایی تولید انرژی خورشیدی با این شیوه ، انجام شده است بطوری که در ۲۰ تا ۳۰ سال دیگر ، به آن جنبه ی تجاری و عملی داده خواهد شد.

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

MEMS مخفف Systems Electro Mechanical Micro است ویکی دیگر از کاربرد های مواد تابعی در ریز سیستم های الکترو- مکانیکی MEMS)) است.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 4700 تومان در 12 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد