ترجمه مقاله مواد مدرج تابعی

توضیحات

 عنوان فارسی: مواد مدرج تابعی

عنوان انگلیسی مقاله:

Functionally Graded Materials

اصول مواد مدرج تابعی

مفاهیم

عبارت ” مواد مدرج تابعی” شامل دو کلمه مهم می­باشد: “تابعی” و “مدرج”. کلمه “تابعی” اصلاح کننده “مدرج” می­باشد. این کلمات نه تنها به مواد تابعی ساده بلکه به مواد مدرج نیز اشاره دارند. مفهوم کلی مواد مدرج تابعی، موادی با توابع مدرج درون آن­ها می­باشد. مواد مدرج تابعی از این پس با نام اختصاری FGM در اینجا بکار می­رود.

مواد مدرج تابعی اولیه موادی بودند که در آن­ها ضریب انبساط حرارتی بطور تدریجی بین سطوح جلو و پشت تغییر می­کرد. این موضوع با تغییر عناصر مواد مدرج تابعی از فلز به سرامیک حاصل می­شد. هدف از مواد مدرج تابعی کاهش تنش­های حرارتی داخلی در دمای بالا بود.

شکل 1 اختلاف ترکیبات و خواص بین مواد کامپوزیتی معمولی و مواد مدرج تابعی را نشان می­دهد. در مواد کامپوزیتی معمولی یک سطح مجزا بین سرامیک و فلز وجود دارد، اما در مواد مدرج تابعی اینگونه نیست. این اختلاف مرتبط با توزیع خواص از قبیل ضریب انبساط حرارتی، ضریب هدایت حرارتی و ضریب مقاومت حرارتی می­باشد. در مواد کامپوزیت معمولی خواص در فصل مشترک بطور ناگهانی تغییر می­کنند، درحالیکه در مواد مدرج تابعی، خواص بطور تدریجی در درون جسم تغییر می­کنند. اختلاف در ضریب انبساط حرارتی در فصل مشترک موجب تنش حرارتی داخلی در دمای بالا می­شود و گاهی اوقات موجب منجر به گسیختگی سطح مشترک می­شود. همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، مواد مدرج تابعی تنش حرارتی را تقریبا تا 30 درصد کاهش داده و از گسیختگی سطح مشترک جلوگیری می­کند. مفهوم ابتدایی و اساسی مواد مدرج تابعی بمنظور کاهش تنش حرارتی به مواد عمومی در سال 1988 بسط داده شد و سازمانی با نام “انجمن مواد مدرج تابعی” در ژاپن تاسیس شد. این مغهوم توسعه یافته، به مواد یک لایه­ای با تغییر پیوسته و تدریجی در خواص اشاره دارد. مواد مدرج تابعی نه تنها موادی با مقاومت حرارتی زیاد می­باشند بلکه مواد ساختاری، بیومواد، مواد نیمه رسانا و رسانا را نیز پوشش می­دهند.

شکل 1 ساختار و خواص مواد کامپوزیت معمولی و مدرج تابعی

تولد مواد مدرج تابعی مرتبط با طرح فضاپیما بود که توسط آژانس علم و تکنولوژی ژاپن در 1980 مطرح شد. طرح عبارت بود از اینکه ژاپن نقش مهمی را در کشف و بهره­برداری فضای جهان در اوایل قرن 21 داشت.

تاریخچه

فضاپیما ترکیبی از هواپیمای جت و موشک است که فاصله بین زمین و فضا را می­پیماید. بزرگترین تفاوت آن با شاتل فضایی امریکا این است که هم موتور جت و هم موتور موشک مجهز به سلاح هستند. فضاپیما از باند فرودگاه بدون هیچگونه تقویت کننده پرواز می­کند و تقریبا 30 بار بین زمین و فضا بدون تعمیر رفت و آمد می­کند. با توجه به شکل 2، هنگامیکه فضاپیما به خارج از جو زمین در یک سرعت سوپرسونیک پرواز می­کند، دماغه آن و لبه حمله موتور تا دمایی نزدیک به 1800 درجه سانتی­گراد گرم می­شود. ماکزیمم دمای شاتل فضایی 1500 درجه سانتی­گراد در لبه حمله دم عمودی در ورود به جو می­باشد. با اینکه شاتل فضایی در دمای 300 درجه پایین تر از دمای فضاپیما بود، اما گاهی اوقات مشکلات بدنه برای آن ثبت می­شد.

مشکلات شاتل فضایی اساسا از جدایش و افت روکش عایق حرارتی در بدنه بوجود می­آید. شاتل فضایی نسبتا با روکش عایق حرارتی کامپوزیت­های کربنی پوشیده می­شود که از افزایش دمای شاتل در ورود به جو جلوگیری می­کند. بخش­های سیاه بدنه روکش­ها هستند. روکش­ها دارای وزن سبک و مقاومت حرارتی بالایی هستند.

در واقع چه اتفاقی برای روکش­ها در جو می­افتد؟ حتی اگر بدنه تا اندازه­ای با روکش پوشیده شود، بدنه که از فلز ساخته شده است دمای آن به دلیل حرارت تولیدی از طریق اصطکاک به شدت افزایش می­یابد. بطور کلی، مواد با دما منبسط می­شوند، ضریب انبساط حرارتی کامپوزیت­های آهن، آلومینیوم و کربن به ترتیب  ،  و  دمای اتاق می­باشد.

شکل 2 محاسبه دمای سطح فضاپیما در طول پرواز

بمنظور جلوگیری از جدایش روکش از سطح، تنش حرارتی نباید در سطح اتصال بین روکش و بدنه متمرکز شود بلکه باید بطور یکنواخت در نزدیکی سطح مشترک توزیع گردد. مواد مدرج تابعی مفهوم جدیدی برای مواد مقاوم در برابر حرارت هستند که برای رسیدگی به این نیازها مطرح شد. ضریب انبساط حرارتی بطور تدریجی از یک مقدار زیاد برای فلز به یک مقدار کم برای سرامیک بوسیله تغییر پیوسته عناصر از فلز به سرامیک، تغییر می­کند. تنش حرارتی که بوجود آمده توسط تغییرات ضریب انبساط حرارتی تا بیشتر از 30 درصد کاهش یافت.تغییرات در بدنه فلزی متصل به روکش به دلیل حرارت در شکل 3 نشان داده شده است. تغییرات در ضریب انبساط حرارتی منجر به تنش دمایی در سطح مشترک بین بدنه و روکش می­شود. هنگامی که تنش حرارتی بزرگتر از مقاومت اتصال در سطح مشترک است، روکش از بدنه جدا می­شود. این موضوع منجر به وجود آمدن مشکلاتی در شاتل فضایی می­شود.

شکل 3 جدایش سرامیک و فلز توسط تنش حرارتی

توجه:

• برای مشاهده کامل فایل ترجمه لطفا اقدام به خرید فایل نمایید.
• لینک دانلود فایل بلافاصله پس از خرید بصورت اتوماتیک برای شما ایمیل می گردد.