En la ciencia de los materiales, los materiales con clasificación funcional ( FGM ) pueden caracterizarse por la variación gradual de la composición y la estructura a lo largo del volumen, lo que da lugar a cambios correspondientes en las propiedades del material. Los materiales pueden diseñarse para funciones y aplicaciones específicas. Para fabricar los materiales con clasificación funcional se utilizan diversos enfoques basados en el procesamiento en masa (procesamiento de partículas), el procesamiento de preformas, el procesamiento de capas y el procesamiento de fusión.
El concepto de FGM se consideró por primera vez en Japón en 1984 durante un proyecto de avión espacial, donde una combinación de materiales utilizados serviría para el propósito de una barrera térmica capaz de soportar una temperatura superficial de 2000 K y un gradiente de temperatura de 1000 K a lo largo de una sección de 10 mm. [1] En los últimos años, este concepto se ha vuelto más popular en Europa, particularmente en Alemania. Un centro de investigación colaborativo transregional (SFB Transregio) está financiado desde 2006 con el fin de explotar el potencial de clasificación de monomateriales, como acero, aluminio y polipropileno, mediante el uso de procesos de fabricación acoplados termomecánicamente. [2]
Los FGM pueden variar en composición y estructura, por ejemplo, porosidad, o ambas para producir el gradiente resultante. El gradiente se puede clasificar como continuo o discontinuo, que exhibe un gradiente escalonado.
Existen varios ejemplos de FGM en la naturaleza, incluidos el bambú y el hueso, que alteran su microestructura para crear un gradiente de propiedades materiales. [3] En los materiales biológicos, los gradientes se pueden producir a través de cambios en la composición química, la estructura, las interfaces y mediante la presencia de gradientes que abarcan múltiples escalas de longitud. Específicamente, dentro de la variación de las composiciones químicas, se sabe que la manipulación de la mineralización, la presencia de iones inorgánicos y biomoléculas y el nivel de hidratación causan gradientes en plantas y animales. [4]
Las unidades estructurales básicas de los FGM son elementos o ingredientes materiales representados por maxel . El término maxel fue introducido en 2005 por Rajeev Dwivedi y Radovan Kovacevic en el Centro de Investigación para la Fabricación Avanzada (RCAM). [5] Los atributos de maxel incluyen la ubicación y la fracción de volumen de los componentes materiales individuales.
Un maxel también se utiliza en el contexto de los procesos de fabricación aditiva (como la estereolitografía , la sinterización selectiva por láser , el modelado por deposición fundida, etc.) para describir un vóxel físico (un compuesto de las palabras "volumen" y "elemento"), que define la resolución de construcción de un proceso de creación rápida de prototipos o de fabricación rápida, o la resolución de un diseño producido por dichos medios de fabricación.
La transición entre los dos materiales se puede aproximar mediante una relación de ley de potencia o de ley exponencial:
Ley de potencia: donde es el módulo de Young en la superficie del material, z es la profundidad desde la superficie y k es un exponente adimensional ( ).
Ley exponencial: donde indica una superficie dura y indica una superficie blanda. [6]
Existen muchas áreas de aplicación para la FGM. El concepto es fabricar un material compuesto variando la microestructura de un material a otro con un gradiente específico. Esto permite que el material tenga lo mejor de ambos materiales. Si se trata de resistencia térmica o corrosiva o de maleabilidad y tenacidad, ambas resistencias del material se pueden utilizar para evitar la corrosión, la fatiga, la fractura y el agrietamiento por corrosión bajo tensión.
Existe una gran cantidad de posibles aplicaciones e industrias interesadas en los FGM, que abarcan desde la defensa, donde se analizan las armaduras protectoras, hasta la biomedicina, donde se investigan los implantes, pasando por la optoelectrónica y la energía. [ cita requerida ]
La industria aeronáutica y aeroespacial y la industria de circuitos informáticos están muy interesadas en la posibilidad de materiales que puedan soportar gradientes térmicos muy elevados. [7] Esto normalmente se consigue utilizando una capa cerámica conectada con una capa metálica.
La Dirección de Vehículos Aéreos ha realizado una prueba de flexión cuasiestática de muestras de prueba de titanio/ boruro de titanio clasificadas funcionalmente que se pueden ver a continuación. [8] La prueba se correlacionó con el análisis de elementos finitos (FEA) utilizando una malla cuadrilateral con cada elemento con sus propias propiedades estructurales y térmicas.
El Programa de Investigación Estratégica de Materiales y Procesos Avanzados (AMPSRA) ha realizado un análisis sobre la producción de un revestimiento de barrera térmica utilizando Zr02 y NiCoCrAlY. Sus resultados han resultado satisfactorios, pero no se han publicado los resultados del modelo analítico.
La denominación del término que se relaciona con los procesos de fabricación aditiva tiene su origen en el RMRG (Rapid Manufacturing Research Group) de la Universidad de Loughborough en el Reino Unido . El término forma parte de una taxonomía descriptiva de términos relacionados directamente con diversos aspectos relacionados con los procesos de fabricación aditiva CAD - CAM , originalmente establecidos como parte de la investigación realizada por el arquitecto Thomas Modeen sobre la aplicación de las técnicas antes mencionadas en el contexto de la arquitectura.
El gradiente del módulo elástico cambia esencialmente la tenacidad a la fractura de los contactos adhesivos. [9]
Además, ha habido un mayor enfoque en cómo aplicar los FGM a aplicaciones biomédicas, específicamente implantes dentales y ortopédicos. Por ejemplo, el hueso es un FGM que exhibe un cambio en la elasticidad y otras propiedades mecánicas entre el hueso cortical y esponjoso . De ello se deduce lógicamente que los FGM para implantes ortopédicos serían ideales para imitar el rendimiento del hueso. Los FGM para aplicaciones biomédicas tienen el beneficio potencial de prevenir concentraciones de estrés que podrían conducir a un fallo biomecánico y mejorar la biocompatibilidad y la estabilidad biomecánica. [10] Los FGM en relación con los implantes ortopédicos son particularmente importantes ya que los materiales comunes utilizados (titanio, acero inoxidable, etc.) son más rígidos y, por tanto, plantean un riesgo de crear condiciones fisiológicas anormales que alteran la concentración de estrés en la interfaz entre el implante y el hueso. Si el implante es demasiado rígido corre el riesgo de provocar reabsorción ósea , mientras que un implante flexible puede provocar estabilidad y la interfaz hueso-implante. Se han llevado a cabo numerosas simulaciones FEM para comprender los posibles gradientes mecánicos y de FGM que podrían implementarse en diferentes implantes ortopédicos, ya que los gradientes y las propiedades mecánicas son altamente específicos de la geometría. [11]
Un ejemplo de un FGM para su uso en implantes ortopédicos es la matriz polimérica de refuerzo de fibra de carbono (CRFP) con zirconia estabilizada con itrio (YSZ). La variación de la cantidad de YSZ presente como relleno en el material dio como resultado una relación de gradación de resistencia a la flexión de 1,95. Esta alta relación de gradación y la alta flexibilidad general muestran que es un material prometedor como material de soporte en implantes óseos. [12] Se están explorando bastantes FGM que utilizan hidroxiapatita (HA) debido a su osteoconductividad que ayuda a la osteointegración de los implantes. Sin embargo, la HA exhibe menor resistencia a la fractura y tenacidad en comparación con el hueso, lo que requiere que se utilice junto con otros materiales en implantes. Un estudio combinó HA con alúmina y zirconia a través de un proceso de plasma de chispa para crear un FGM que muestra un gradiente mecánico, así como una buena adhesión y proliferación celular. [13]
Se han desarrollado métodos numéricos para modelar la respuesta mecánica de los FGM, siendo el método de elementos finitos el más popular. Inicialmente, la variación de las propiedades del material se introdujo por medio de filas (o columnas) de elementos homogéneos, lo que llevó a una variación de tipo escalón discontinuo en las propiedades mecánicas. [14] Más tarde, Santare y Lambros [15] desarrollaron elementos finitos funcionalmente graduados, donde la variación de la propiedad mecánica tiene lugar a nivel de elemento. Martínez-Pañeda y Gallego extendieron este enfoque al software comercial de elementos finitos. [16] Las propiedades de contacto de los FGM se pueden simular utilizando el método de elementos de contorno (que se puede aplicar tanto a contactos no adhesivos como adhesivos). [17] La simulación de dinámica molecular también se ha implementado para estudiar materiales funcionalmente graduados. M. Islam [18] estudió las propiedades mecánicas y vibracionales de nanocables de Cu-Ni funcionalmente graduados utilizando simulación de dinámica molecular.
Muchos autores han considerado la mecánica de las estructuras de materiales con grado funcional. [19] [20] [21] [22] Sin embargo, recientemente se ha desarrollado un nuevo modelo micromecánico para calcular el módulo elástico de Young efectivo para los compuestos de placas reforzadas con grafeno. El modelo considera las dimensiones promedio de las nanoplacas de grafeno, la fracción de peso y la relación grafeno/matriz en el Elemento de Volumen Representativo. El comportamiento dinámico de este compuesto basado en polímero con grado funcional reforzado con rellenos de grafeno es crucial para aplicaciones de ingeniería. [23]
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