نخستین بار در سال ۱۹۷۲، بور^[۲۴] و دووز^[۲۵] [] ایده ترکیب دو فاز مختلف رابا تغییر در نحوه آرایش و ترتیب هر کدام از فازها در هر لایه در جهت بهبود خواص مکانیکی مطرح کردند. ایده آنها عموماًً مربوط به ضعف مواد مرکب در بسیاری از کاربردها بود.
گروهی از دانشمندان مواد در سندای ژاپن تحقیقات خود را روی پروژه سفینه ی فضایی آغاز کردند. تحقیقات این سه تن نشان داد که اجزای سازه های بکار رفته در بدنه سفینه فضایی تحت بارهای حرارتی بسیار شدید قرار می گیرند و بنابراین در ترکیب و درجه بندی ریزساختارهای سازه های بدنه بایستی به دو مورد بسیار توجه شود:

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

الف) از مواد موجود و در دسترس، اجزای سازه ای تولید گردند که بهترین استفاده را در اکثریت اهداف صنعتی داشته باشند.
ب) جلوگیری از تمرکز تنش یا کرنش که ناشی از بوجود آمدن سطوح نوک تیز به دلیل جدا بودن مواد مختلف می باشد.
نتیجه این یافته ها موجب گشت که در سال ۱۹۸۷ در کشور ژاپن سازمانی متشکل از چندین دانشمند تأسیس شد و کار آن تحقیقات گسترده در ارتباط با مواد متغیر تابعی بود. در سال ۱۹۹۳ کویزومی^[۲۶]، میاماتو^[۲۷]، نینو^[۲۸] و ساساکی^[۲۹] ، توجه خود را روی سیستم های بقای انرژی معطوف کردند. هدف این برنامه تحقیقاتی دوم استفاده از مواد متغیر تابع برای بهینه کردن تبدیل انرژی حرارتی به الکتریسیته بود که در مواد ترموالکتریک و ترمویونیک کاربرد پیدا می کنند. کاربرد مواد متغیر تابعی در این پروژه در مینیمم کردن تنش های حرارتی بود. در خارج از کشور ژاپن در بین سال های۱۹۸۰ تا ۱۹۹۰ و در چند کشور از جمله آلمان، ایالات متحده، چین و روسیه، مواد متغیر تابعی جزو موضوعات روز در تحقیقات بود و همچنان ادامه دارد. در آلمان یک برنامه تحقیقاتی از سال ۱۹۹۵ و با مشارکت تعداد زیادی آزمایشگاه به مدت شش سال انجام شد و شامل چهار هدف اصلی بود که عبارت بودند از[]:

• • فرایند تولید مواد متغیر تابعی بر اساس ذوب کردن (ریخته گری، صاف کردن، رشد کریستالی)

• • فرایند تولید مواد متغیر تابعی بر اساس پودر کردن

• • مدلسازی ترمومکانیکی

• • ساخت مواد زیست پزشکی

۱-۲-۳ کاربرد مواد متغیر تابعی
مواد متغیر تابعی غالباً از ترکیب یک فلز و یک سرامیک با درصد حجمی معین تولید می شود. از
عمده ترین کاربردهای این مواد، استفاده در محیط های حرارتی می باشد. در این نوع کاربرد سطوحی که در معرض درجه حرارت بالا هستند از سرامیک تشکیل می شود و سطوح داخلی درصد حجمی بالایی از فلز را دارا می باشد تا در عین مقاومت حرارتی توانایی جذب ضربه نیز در ماده القا شود.
تا کنون مقالات زیادی در زمینه کاربرد این مواد در محیط های حرارتی منتشر شده است. در سالهای اخیر کاربردهای جدید و مدرن برای این مواد به وجود آمده است. از جمله ی این کاربردها، استفاده از این مواد در ساخت دندان مصنوعی می باشد. لایه های داخل و خارج دندان خواص مکانیکی مختلفی دارند و با بهره گرفتن از این مواد می توان دندان مصنوعی با عملکرد مشابه دندان طبیعی طراحی کرد. از دیگر موارد استفاده این مواد، کاربردهای زیست دارویی و زمینه های مختلف مهندسی بافت می باشد. از این مواد همچنین در ساخت سنسورها استفاده می شود. به دلیل خواص مکانیکی و حرارتی مطلوب کاربردهای زیاد دیگری نیز برای مواد متغیر تابعی وجود دارد. از کاربردهای دیگر مواد متغیر تابعی
می توان پیوند زدن اعضا به انسان، اجزای موتورهای انفجاری، وسایل مغناطیسی، ابزار برش، وسایل اطفاء حریق، مواد مرکب پلیمری با مقاومت بالا، پوشش محفظه احتراق پیشران موشک، آستر محفظه پرتاب راکت، مواد پیزوالکتریک و فروالکتریک و … اشاره کرد[].
۱-۲-۴ مدل سازی مواد متغیر تابعی
خواص مکانیکی موادی که از دو فاز مختلف تشکیل شده اند وابسته به پارامترهایی همچون چگالی، شکل مواد تشکیل دهنده فازها و نحوه توزیع فضایی فازها می باشد. فرم ساده ای را می توان در نظر گرفت به طوری که ماده متغیر تابعی از دو فاز ایزوتروپ که به شکل الاستیک عمل می کنند تشکیل شده است. همچنین فرض می شود که تحت بارهای وارده، کرنش های مساوی در فازها ایجاد می شود و تنش بوجود آمده مجموع تنش هایی است که هر کدام از فازها به تنهایی تحمل می کنند، این دیدگاه مدل ویت^[۳۰] نام دارد []. مدول مؤثر آن میانگین وزنی مدول فازها به شکل زیر می باشد:

(۱-۱)

(۱-۲)

در رابطه (۱-۱) و (۱-۲)، که قانون اختلاط نامیده می شود، هر خاصیتی از ماده ، کسر حجمی فاز و اندیس های ۱ و ۲ به ترتیب فاز ۱ و فاز ۲ را نشان می دهند.
هنگامی که مقادیر نسبت های پواسون در دو فاز مساوی نباشند، رابطه (۱-۲) که برای حالت کرنش های مساوی نوشته شده است اختلاف کوچکی را نشان می دهد. دیدگاه دیگری نیز وجود دارد که در این دیدگاه فرض می شود که تحت بارگذاری خارجی، فازها تنش های مساوی را تحمل می کنند و کرنش کل در ماده مجموع کرنش های خالص هر کدام از فازها می باشد. این دیدگاه به مدل روس^[۳۱] [] شهرت دارد. در این دیدگاه هر خاصیت ماده به شکل زیر است:

(۱-۳)

در رابطه بالا منظور از و به ترتیب خواص فلز و سرامیک بوده و منظور از و کسرهای حجمی فلز و سرامیک می باشد. به همان طریقی که روابط (۱-۲) و (۱-۳) بدست آمده اند می توان روابطی برای مدول برش مؤثر، مدول حجمی و ضریب پواسون ماده متغیر تابعی بر اساس مقدارهای هر کدام از آنها در دو فاز نوشت. در این قسمت به چند نمونه مدل مهم برای مدل سازی توزیع خواص این مواد آورده شده است:

۱-۲-۴-۱ مدل ردی^[۳۲]

این مدل در حالت کلی غیر خطی بوده و خواص مکانیکی تابع دما هستند.[]

(۱-۴)