اولين پيشــنهاد در مورد ســاخت و توليد مواد داراي تغييرات تابعي در خواص را ســال 1972 بور و دووز ارائه كردند و قبل از آن هم يكسري تحقيقات در آن بصورت گسسته صـــورت گرفته بود ولي اولين بار نام FGM كه مخفف (مواد درجه بندي شـــده تابعي) هسـت توسـط محققان ژاپني در دهه 1980 به اين مواد داده شـد و پس از آن به تدريج اين مواد در سطح بين المللي ساخته شدند. نينو و كويزومي ازجمله افرادي بودند كه در آن زمان در ژاپن مأمور تحقيق در مورد مواد جديد شــدند و به علت نياز اين كشــور به اين مواد براي توسعه صنايع هوايي اين تحقيقات بصورت جدي دنبال شد.
در ادامه تصــوير نمادين يك ماده تابعي متشــكل از ســراميك-فلز در شــكل مشــاهده ميگردد و نيز تصــوير ميكروســكوپ نوري از مقطع يك ماده تابعي از جنس الماس-آلومينيوم (Al/Sic) مشاهده ميشود.
تصوير نمادين ريزساختاري يك ماده درجه بندي شده تابعي متشكل از سراميك-فلز
تصوير از مقطع يك ماده درجه بندي شده تابعي از جنس Al/Sic توسط ميكروسكوپ نوري
امتياز ا صلي مواد درجه بندي شده تابعي، مقاومت بسيار بالاي آنها در برابر محيط هايي با درجه حرارت بالا (تغييرات دمايي بالا) هسـت، به گونه اي كه مؤلفه سـراميكي ماده به دليل ضريب هدايت حرارتي پايين باعث مقاومت در برابر دماهاي بسيار بالا ميگردد. از سوي ديگر مؤلفه فلزي باعث جلوگيري از رشد ترك و شكست ماده در اثر تنش هاي حرارتي ايجاد شده ميشود. همچنين پيوستگي تغييرات ريز ساختاري باعث امتياز ماده درجه بندي شده تابعي نسبت به انواع مواد مركب لايه اي گرديده است. همانند ديگر مواد ســاخته شــده بدســت بشــر كه نمونه اي در طبيعت دارند، مواد ها نيز نمونه هايي در طبيعت دارند. شكل زير برش عرضي از پوسته يك صدف ميباشد، تغيير پيوسته ماده در سطح اين پوسته كاملاً در شكل ظاهري آن مشخص است.
تغيير خواص در برش عرضي پوسته يك صدف
دندان ها، صدف ها، استخوان ها و درختان بامبو مثال هايي هستند از اينكه دريابيم چگونه طبيعت به ساختمان ميكروسكوپي مواد با قرار دادن عناصر قوي تر درجايي كه تنش و كرنش در بالاترين حد خود ميباشند، نظم ميدهد. ســـاختارهاي بيولوژيكي براي اينكه قدرت يكســـان در تمام حالات را فراهم نمايند، خلق شـــده اند تا از تنش زياد جلوگيري نمايند و بدين ترتيب شـــانس باقي ماندن را به وسـيله كاهش دادن امكان شـكسـت سـاختاري در حالت شـوك حرارتي و يا ضـربه گسترش دهند.
1-2-12- كاربرد مواد تابعي
ازجمله كاربردهاي اصـــلي اين مواد ميتوان اســـتفاده در راكتورهاي هســـته اي (مواد تشـــكيل دهنده ديواره داخلي راكتور)، اســـتفاده در صـــنايع شـــيميايي (غشـــاها و كاتاليست ها)، استفاده در مهندسي پزشكي (كاشت دندان مصنوعي، استخوان ها يا اندام هاي مصـنوعي) و سـاير فناوري هاي نوين مانند موتورهاي سـراميكي و پوشـش در برابر خوردگي و حرارت را نام برد. همچنين اين مواد در ساخت صفحات و پوسته هاي مخازن راكتورها، توربين ها و ديگر اجزاي ماشين ها نيز كاربرد زيادي دارند. زيرا اين قطعات آمادگي بالايي جهت واماندگي ناشــي از كمانش حرارتي را دارند. از ديگر مزاياي مواد تابعي نســبت به مواد كامپوزيت لايه اي، عدم گسستگي در محل اتصال لايه ها ميباشد، زيرا همانطور كه گفته شد در مواد تابعي تركيب عناصـــر پيوســـته و تدريجي مي باشـــد. از ديگر مزاياي مواد درجه بندي شده تابعي ميتوان به استفاده از آنها در ساخت پوشش عايق هاي حرارتي نيز اشاره نمود. مواد درجه بندي شــده تابعي موادي كامپوزيت ميباشــند كه ازنظر ميكروســكوپي غير همگن بوده و خصـــوصـــيات ســـاختاري آنها از قبيل نوع توزيع، اندازه فازها، بطور تدريجي از ســـطحي به ســـطح ديگر تغيير ميكند و همچنين تغيير تدريجي منجر به تغيير تدريجي خواص در آنها ميشــود. اين مواد عموماً از مخلوط ســراميك با فلز و يا تركيبي از فلزات مختلف (با ضرايب حرارتي متفاوت) ساخته مي شوند. ماده سراميك مقاومت دمايي بالايي را به خاطر رسانايي گرمايي كم دارا ميباشد و ماده فلزي به علت خاصــيت چكش خواري، از شــكســتگي يا ترك به علت تنش حرارتي ممانعت به عمل مي آورد. در ساده ترين مواد تابعي، دو جزء ماده مختلف بطور پيوسته از يكي به ديگري همانطوري كه در شــكل در ادامه قســمت الف نشــان داده شــده اســت تغيير ميكند. همچنين اجزاي مواد ميتوانند به صورت غير پيوسته و مرحله به مرحله مطابق با شكل در ادامه قسمت ب تغيير كنند. هردوي اين حالات از نظر ساختاري تابعي در نظر گرفته ميشوند.
الف) ماده درجه بندي شده تابعي با تغيير خواص تدريجي (پيوسته)
ب) ماده درجه بندي شده تابعي با تغيير خواص پله اي (غير پيوسته)
2-2-12- روش ساخت يك نمونه ماده هدفمند
در بررسي اين روش چند مرحله مورد نظر است. در طي اين مراحل از دو جنس مختلف كه بصورت پودر موجود است استفاده ميشود كه در طي اين فرآيند مراحل زير انجام ميشود.
1- مرحله مخلوط سازي
در اين مرحله با استفاده از يك مخلوط كننده كروي شكل در يك ظرف مناسب مواد با هم مخلوط مي شوند. در اين مرحله مواد بايد به صورت پله اي با ضخامت معين بر روي هم قرار بگيرند. بهتر است ضخامت لايه اول و آخر يكي باشد و لايه هاي وسطي كمتر از آنها ولي باهم برابر مطابق شكل زير:
نمونه تركيب مواد
نمونه ايي از تغيير در تركيب مواد
مرحله مخلوط سازي خود شامل دو مرحله ديگر است:
الف) مرحله اول هموژن ســازي مواد اســت. در اين مرحله به مدت يك ســاعت مواد با ســرعت 300 دور در دقيقه باهم مخلوط ميشــوند. در اين مرحله پودرهاي هر لايه با مخلوط سازي عناصر و درصدهاي موجود در آن لايه ايجاد ميشوند.
ب) در مرحله دوم كه مرحله پراكنده سازي و مخلوط نهايي است مواد به مدت 5 ساعت با سرعت 300 دور در دقيقه مخلوط مي شوند. در اين مرحله كل پودر مخلوط سازي ميشود.
2- مرحله خشك سازي
پس از مخلوط سازي بايد خشكسازي انجام شود. براي اين منظور پودرها بايد به مدت 10 ساعت در كوره با دماي 110 درجه سانتيگراد قرار گيرد.
3- مرحله فشار
در اين مرحله مواد مخلوط شــده بايد زير فشــار معين قرار گيرند. در اينجا از يك قالب کربني اسـتفاده ميشـود و مواد داخل آن ريخته ميشـود و با فشـار معين مثلاً 10 تن تحت فشار قرار خواهد گرفت. در اينجا براي روانكاري كاهش تنش تماسي قالب و مواد از آلومين استفاده ميشود.
4- مرحله سينترينگ
در اين مرحله مواد مخلوطي و تحت فشار داده شده بايد سينترينگ شوند. با قرار دادن نمونه تحت فشـار داده شـده در كوره و اعمال يك سـيكل حرارتي مطابق شـكل بالا اين مرحله انجام ميشـــود. به منظور جلوگيري از اكســـيداســـيون بايد كوره با گاز آرگون محافظت شـــود. بهترين موقعيت قرارگيري مواد در كوره در مركز كوره اســـت. ميزان اعمال نيرو بصورت دوره اي و متفاوت ميباشد مطابق نمودار زير:
رابطه ميزان فشار و زمان خنك شدن
[1](Functionally Graded Materials (FGM