图1。导致FGM发展的工程材料历史。信用:DOI: 10.3390/ buildings12020118根据阿拉巴马大学亨茨维尔分校(UAH)的一项新研究，当炸弹爆炸或火灾发生时，用目前仅限于特殊应用的工程复合材料建造或翻新的建筑可以为幸存的居住者争取额外的时间出来。阿拉巴马大学系统的一部分，UAH大学土木工程系讲师埃利亚斯·阿里博士领导的一项新研究表明，功能梯度材料(FGM)是一种最近开发的复合材料，其特点是材料性能在其厚度上逐渐变化，是结构应用中有效的抗炸弹材料。
在新的研究中，这种复合材料使冷弯型钢梁的倒塌荷载增加了12%，柱的倒塌荷载增加了18%。阿里博士领导的早期研究发现，与石膏板相比，FGM作为建筑的覆盖材料可以将火势蔓延到建筑主要结构部分的速度减慢14%。
FGM被称为复合材料的“圣杯”。目前，其高制造成本以及大规模生产和将其成形为复杂形状的挑战限制了其在先进技术中的应用，例如航空航天工业、海军舰船建造和按需制造用途。
“材料科学和结构工程研究界在FGM复合材料方面面临的挑战是缺乏可用性，”阿里博士说。“到目前为止，只有几家公司致力于制造它，它们主要局限于航空航天和国防工业。”
FGM有一个独特的和不同的物质属性，从其个别组成材料，但保留其利益。
阿里博士说:“由于机械性能的提高，FGM可以在高热、化学或机械应力的极端载荷环境中使用，这些应力会导致单一材料零件失效。”。
阿里博士和他的合作者、土木工程系项目负责人、沙特阿拉伯纳杰兰大学助理教授法迪·阿尔托伊博士利用计算机建模和仿真研究了一种用于防爆和防火的金属/陶瓷复合材料。他们对复合材料在极端载荷环境下的性能进行了广泛的材料级配敏感性参数研究。
阿里博士说，他的研究显示的使FGM对炸弹加固建筑有吸引力的相同品质，在地震和恶劣天气下也可能被证明是有益的，尽管他的研究不包括这些类型的测试。
“从我们的数值研究来看，这种复合材料可以在火灾和爆炸情况下产生弹性结构系统，”阿里博士说。“它们在地震和飓风中的表现需要进一步调查。然而，我们可以从我们的研究中预测，它们在这种极端事件中可能是有用的。”
虽然数值模拟结果为极端载荷环境下的结构提供了一种新的材料解决方案，但阿里博士说，为了完成这项研究，需要进行实验研究。
阿里博士说，具有分级界面的材料在结构工程中的应用仍处于早期研究阶段。可以使用几种技术制造功能梯度材料。
“作为一项新兴技术，添加剂制造(AM)能够以复合材料、混合材料或功能梯度材料的形式，在包括金属、陶瓷、聚合物及其组合在内的广泛材料中生产全功能零件，”他说。"调幅还能高度控制材料的空间变化."
他预计，对这些材料的更多研究最终将使FGM广泛应用于结构和关键基础设施。
“由于FGM是一种多功能材料，我预计这种材料将用于许多应用，包括新建筑以及翻新工程，”阿里博士说。"我设想这将是工程材料的未来."
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