En science des matériaux, les matériaux à gradation fonctionnelle (MGF) peuvent être caractérisés par la variation progressive de la composition et de la structure sur le volume, entraînant des changements correspondants dans les propriétés du matériau. Les matériaux peuvent être conçus pour des fonctions et des applications spécifiques. Diverses approches basées sur le volume (traitement des particules), le traitement des préformes, le traitement des couches et le traitement par fusion sont utilisées pour fabriquer les matériaux fonctionnellement classés.
Les unités structurales de base des MGF sont des éléments ou des ingrédients matériels représentés par maxel . Le terme maxel a été introduit en 2005 par Rajeev Dwivedi et Radovan Kovacevic au Research Center for Advanced Manufacturing (RCAM).
Les attributs de maxel incluent l'emplacement et la fraction volumique des composants individuels du matériau.
Un maxel est également utilisé dans le contexte des processus de fabrication additive (tels que la stéréolithographie , le frittage laser sélectif, la modélisation de dépôt par fusion, etc.) pour décrire un voxel physique (un portemanteau des mots "volume" et "élément"), qui définit la résolution de construction d'un processus de prototypage ou de fabrication rapide, ou la résolution d'une conception produite par de tels moyens de fabrication.
Il existe de nombreux domaines d'application pour les MGF. Le concept est de réaliser un matériau composite en faisant varier la microstructure d'un matériau à un autre avec un gradient spécifique. Cela permet au matériau d'avoir le meilleur des deux matériaux. S'il s'agit d'une résistance thermique ou corrosive ou d'une malléabilité et d'une ténacité, les deux résistances du matériau peuvent être utilisées pour éviter la corrosion, la fatigue, la rupture et la fissuration par corrosion sous contrainte.
La transition entre les deux matériaux peut généralement être approximée au moyen d'une série de puissances. L'industrie aéronautique et aérospatiale et l'industrie des circuits informatiques sont très intéressées par la possibilité de matériaux pouvant résister à des gradients thermiques très élevés. Ceci est normalement réalisé en utilisant une couche de céramique connectée à une couche métallique.
La Direction des véhicules aériens a effectué un test de flexion quasi-statique d'échantillons de titane / borure de titane classés fonctionnellement, qui peut être vu ci-dessous. Le test était corrélé à l'analyse par éléments finis (FEA) en utilisant un maillage quadrilatère avec chaque élément ayant ses propres propriétés structurelles et thermiques.
Le programme de recherche stratégique sur les matériaux et processus avancés (AMPSRA) a effectué une analyse sur la production d'un revêtement de barrière thermique à l'aide de Zr02 et NiCoCrAlY. Leurs résultats se sont révélés efficaces, mais aucun résultat du modèle analytique n'est publié.
La traduction du terme qui se rapporte aux procédés de fabrication additive a ses origines au RMRG (Rapid Manufacturing Research Group) à l'Université de Loughborough au Royaume-Uni . Le terme fait partie d'une taxonomie descriptive de termes se rapportant directement à divers détails relatifs aux procédés de fabrication additifs CAD - CAM , établis à l'origine dans le cadre des recherches menées par l'architecte Thomas Modeen sur l'application des techniques susmentionnées dans le contexte de architecture.
Le gradient du module élastique modifie essentiellement la ténacité à la rupture des contacts adhésifs.
Des méthodes numériques ont été développées pour modéliser la réponse mécanique des MGF, la méthode des éléments finis étant la plus populaire. Initialement, la variation des propriétés du matériau a été introduite au moyen de rangées (ou colonnes) d'éléments homogènes, conduisant à une variation discontinue de type graduel des propriétés mécaniques. Plus tard, Santare et Lambros ont développé des éléments finis gradués fonctionnellement, où la variation des propriétés mécaniques a lieu au niveau de l'élément. Martínez-Pañeda et Gallego ont étendu cette approche aux logiciels commerciaux par éléments finis. [9] Les propriétés de contact de la FGH peuvent être simulées en utilisant la méthode des éléments limites (qui peut être appliquée à la fois aux contacts non adhésifs et adhésifs).