機能的にグレード化された材料

材料科学 において、傾斜機能材料( FGM ) は、体積にわたって徐々に組成と構造が変化し、その結果、材料の特性が変化するという特徴があります。材料は、特定の機能と用途に合わせて設計できます。傾斜機能材料を製造するために、バルク (粒子処理)、プリフォーム処理、レイヤー処理、溶融処理に基づくさまざまなアプローチが使用されます。

FGMの概念は、1984年に日本で初めて宇宙飛行機プロジェクト中に検討されました。このプロジェクトでは、使用される材料の組み合わせが、表面温度2000 Kと10 mmのセクション全体で1000 Kの温度勾配に耐えることができる熱バリアの役割を果たします。 ^[1]近年、この概念はヨーロッパ、特にドイツで人気が高まっています。熱機械的に結合した製造プロセスを使用して、鉄、アルミニウム、ポリプロピレンなどの単一材料のグレーディングの可能性を活用するために、地域横断共同研究センター（SFB Transregio）に2006年から資金が提供されています。^[2]

FGM は、組成と構造 (多孔度など) のいずれか、またはその両方を変化させて、結果として生じる勾配を生成します。勾配は、連続的または不連続 (段階的な勾配を示す) のいずれかに分類できます。

自然界には竹や骨など、微細構造を変化させて材料特性の勾配を作り出すFGMの例がいくつかあります。 ^[3]生物材料では、化学組成、構造、界面の変化、および複数の長さスケールにわたる勾配の存在によって勾配が生成されます。具体的には、化学組成の変化、鉱化の操作、無機イオンと生体分子の存在、および水和レベルはすべて、植物や動物に勾配を引き起こすことが知られています。^[4]

FGMの基本構造単位は、マクセルで表される要素または材料成分です。マクセルという用語は、2005年に先進製造業研究センター（RCAM）のRajeev DwivediとRadovan Kovacevicによって導入されました。 ^[5]マクセルの属性には、個々の材料成分の位置と体積分率が含まれます。

マクセルは、付加製造プロセス（ステレオリソグラフィー、選択的レーザー焼結、熱溶解積層法など）のコンテキストでも使用され、ラピッドプロトタイピングまたはラピッド製造プロセスの構築解像度、またはそのような製造手段によって生成されるデザインの解像度を定義する物理的なボクセル（「ボリューム」と「要素」を組み合わせた造語）を表します。

2 つの材料間の遷移は、べき乗法則または指数法則のいずれかの関係によって近似できます。

べき乗法則:は材料の表面におけるヤング率、z は表面からの深さ、k は無次元指数 ( ) です。 ${\displaystyle E=E_{o}z^{k}}$${\displaystyle E_{o}}$${\displaystyle 0<k<1}$

指数法則：は硬い表面を示し、 は柔らかい表面を示します。^[6]${\displaystyle E=E_{o}e^{\alpha z}}$${\displaystyle \alpha <0}$${\displaystyle \alpha >0}$

FGM の応用分野は多岐にわたります。その概念は、ある材料から別の材料まで、特定の勾配で微細構造を変化させて複合材料を作ることです。これにより、両方の材料の長所を活かす材料が実現します。耐熱性、耐腐食性、展性、靭性を求める場合は、材料の両方の長所を利用して、腐食、疲労、破壊、応力腐食割れを回避できます。

FGM に関心を持つ可能性のある用途や業界は無数にあります。防衛、防護装甲の研究、生物医学、インプラントの研究、光電子工学、エネルギーなど多岐にわたります。^[要出典]

航空機・航空宇宙産業やコンピュータ回路産業は、非常に高い熱勾配に耐えられる材料の可能性に非常に興味を持っています。^[7]これは通常、金属層と接続されたセラミック層を使用することで実現されます。

航空機体局は、機能的に傾斜したチタン/チタンホウ化物試験片の準静的曲げ試験を実施しており、その結果は以下に示すとおりです。^[8]この試験は、各要素が独自の構造的および熱的特性を持つ四辺形メッシュを使用した有限要素解析 (FEA) と相関しています。

先端材料およびプロセス戦略研究プログラム (AMPSRA) は、Zr02 および NiCoCrAlY を使用した熱遮断コーティングの製造に関する分析を実施しました。その結果は成功であることが証明されましたが、分析モデルの結果は公開されていません。

付加製造プロセスに関連する用語の表現は、英国ラフバラー大学の RMRG (Rapid Manufacturing Research Group) に由来しています。この用語は、付加CAD - CAM製造プロセスに関連するさまざまな詳細に直接関連する用語の記述的分類法の一部を形成し、もともとは建築家トーマス・モデーンが建築の分野で前述の技術の応用について行った研究の一環として確立されました。

弾性率の勾配は本質的に接着接合部の破壊靭性を変化させる。^[9]

さらに、FGMをバイオメディカル用途、特に歯科用および整形外科用インプラントに適用する方法にも注目が集まっています。たとえば、骨は皮質骨と海綿骨の間で弾性やその他の機械的特性に変化を示すFGMです。論理的に考えると、整形外科用インプラント用のFGMは骨の性能を模倣するのに理想的です。バイオメディカル用途のFGMには、生体力学的破損につながる可能性のある応力集中を防ぎ、生体適合性と生体力学的安定性を向上させるという潜在的な利点があります。^[10]整形外科用インプラントに関連するFGMは、一般的に使用される材料（チタン、ステンレス鋼など）がより硬いため、インプラントと骨の界面で応力集中が変化する異常な生理学的状態を引き起こすリスクがあるため、特に重要です。インプラントが硬すぎると骨吸収を引き起こすリスクがありますが、柔軟なインプラントは安定性と骨とインプラントの界面をもたらす可能性があります。さまざまな整形外科用インプラントに実装できるFGMと機械的勾配を理解するために、数多くのFEMシミュレーションが実行されてきました。勾配と機械的特性は形状に大きく依存するためです。^[11]

整形外科用インプラントに使用される FGM の一例として、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)を含む炭素繊維強化ポリマーマトリックス (CRFP) が挙げられます。材料に充填剤として含まれる YSZ の量を変えると、曲げ強度の段階比は 1.95 になりました。この高い段階比と全体的な高い柔軟性は、骨インプラントの支持材料として有望です。^{[12]インプラントの骨結合を助ける}骨伝導性があるため、ハイドロキシアパタイト(HA)を使用した FGM が数多く研究されています。ただし、HA は骨に比べて破壊強度と靭性が低いため、インプラントでは他の材料と組み合わせて使用​​する必要があります。ある研究では、スパーク プラズマ プロセスによって HA をアルミナとジルコニアと組み合わせ、機械的勾配と良好な細胞接着および増殖を示す FGM を作成しました。^[13]

FGM の機械的応答をモデル化するための数値的手法が開発されており、有限要素法が最も普及しています。当初、材料特性の変化は均質な要素の行 (または列) によって導入され、機械的特性の不連続なステップ型の変化をもたらしました。^[14]その後、Santare と Lambros ^[15]は、機械的特性の変化が要素レベルで発生する機能傾斜有限要素を開発しました。Martínez-Pañeda と Gallego はこのアプローチを商用の有限要素ソフトウェアに拡張しました。^[16] FGM の接触特性は、境界要素法 (非接着接触と接着接触の両方に適用可能) を使用してシミュレートできます。^[17]分子動力学シミュレーションも機能傾斜材料を研究するために実装されています。M. Islam ^{[18] は、}分子動力学シミュレーションを使用して機能傾斜 Cu-Ni ナノワイヤの機械的特性と振動特性を研究しました。

機能的に傾斜した材料構造の力学は多くの著者によって検討されてきた。^{[19] [20] [21] [22]}しかし、最近、グラフェン強化プレート複合材料の有効弾性ヤング率を計算するための新しいマイクロメカニクスモデルが開発されました。このモデルは、グラフェンナノプレートの平均寸法、重量分率、および代表体積要素におけるグラフェン/マトリックス比を考慮しています。グラフェンフィラーで強化されたこの機能的に傾斜したポリマーベースの複合材料の動的挙動は、エンジニアリングアプリケーションにとって非常に重要です。^[23]