上月底，ASME SmartBrief《INNOVATIONS & TRENDS》欄目推介美國阿拉巴馬州立大學(xué)伊萊亞斯· 阿里(Elias Ali)博士的研究成果說，一種新設(shè)計(jì)的復(fù)合材料，給建筑物的居住者更多時(shí)間避免火災(zāi)或爆炸的后果。作為護(hù)套的功能級(jí)配材料，能使冷成型鋼梁和柱的倒塌載荷分別提高12 %和18 %，還能抑制火災(zāi)蔓延……[1]

伊萊亞斯·阿里博士說，功能級(jí)配材料是工程材料的未來。

據(jù)位于亨茨維爾的阿拉巴馬大學(xué)(UAH)的最新研究[2]指出，當(dāng)炸彈爆炸或起火時(shí)，用目前僅用于特殊用途的工程復(fù)合材料建造或改進(jìn)的建筑物，就可為幸存的居住者爭(zhēng)取更多的時(shí)間逃生。

阿拉巴馬大學(xué)土木工程系講師伊萊亞斯·阿里博士新的研究指出，最近開發(fā)的一種復(fù)合材料，即功能級(jí)配材料(FGM，F(xiàn)unctionally graded material)按照厚度逐漸變化的特征，在結(jié)構(gòu)用途上是一種有效的防爆材料。

在新的研究中，這種復(fù)合材料對(duì)冷彎型鋼梁和柱的破壞荷載分別增加12%和18%。阿里博士領(lǐng)導(dǎo)的早期研究發(fā)現(xiàn)[3]，與石膏板相比，把功能級(jí)配材料用作建筑物的護(hù)套材料，可以將火災(zāi)蔓延到建筑主要結(jié)構(gòu)部分的速度降低14 %。

導(dǎo)致FGM發(fā)展的工程材料的歷史

人們稱FGM為復(fù)合材料的“圣杯”。目前，制造成本高，大規(guī)模生產(chǎn)與制成復(fù)雜形狀的挑戰(zhàn)，限制把它用于先進(jìn)技術(shù)，如航空航天工業(yè)、海軍船舶建造和按需制造的普通用途。

阿里博士說，“在FGM復(fù)合材料方面，材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)工程研究界面臨的挑戰(zhàn)是用途不廣。”“到目前為止，只有少數(shù)幾家公司致力于它的制造，而且主要局限于航空航天和國防工業(yè)。”

FGM具有獨(dú)特的、極不尋常的材料特性，但也保留了它們的優(yōu)勢(shì)。阿里博士說：“由于機(jī)械性能改善，F(xiàn)GM可用于高熱、化學(xué)或機(jī)械應(yīng)力極端載荷，甚至可能導(dǎo)致單一材料部件失效的環(huán)境。”

阿里博士和他的合作者Fadi Althoey博士(沙特阿拉伯Najran大學(xué)土木工程系項(xiàng)目負(fù)責(zé)人兼助理教授)利用計(jì)算機(jī)建模和仿真，研究一種金屬/陶瓷復(fù)合材料的抗爆和防火性能。他們對(duì)復(fù)合材料在極端載荷環(huán)境下的性能進(jìn)行了廣泛的材料級(jí)配敏感性參數(shù)研究。

阿里博士說，他的研究顯示，F(xiàn)GM對(duì)經(jīng)加固防爆的建筑物具有吸引力，在地震和氣候惡劣地區(qū)，也證明是有益的，盡管他的研究并不包括這類的測(cè)試。

阿里博士說，“根據(jù)我們的數(shù)值研究，這種復(fù)合材料可以在火災(zāi)和爆炸情況下產(chǎn)生彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。”“在地震和颶風(fēng)中的表現(xiàn)，還需進(jìn)一步研究。然而，我們可以從研究中預(yù)測(cè)，在這樣的極端事件中，它們也是有用的。”

雖然數(shù)值模擬的結(jié)果為極端載荷環(huán)境下的結(jié)構(gòu)提供了新的材料解決方案，但阿里博士說，為了完成這項(xiàng)研究，還需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

阿里博士說，級(jí)配界面材料在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用仍處于早期研究階段。可以使用幾種技術(shù)制造FGM。

他說，“作為一項(xiàng)新興技術(shù)，增材制造(AM)能夠用金屬、陶瓷、聚合物等多種材料，以及它們以復(fù)合、混合或功能梯度材料的形式組合，生產(chǎn)功能齊全的部件。” “AM還對(duì)材料的空間變化提供高度的控制。”

他預(yù)計(jì)，對(duì)這些材料的更多研究，最終將使FGM廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

阿里博士說，“由于FGM是一種多功能材料，我預(yù)計(jì)這種材料將在許多方面得到應(yīng)用，包括新建筑和改造工程，”“我認(rèn)為這將是工程材料的未來。”

資料與注釋

1 Jim Steele, Functionally graded material resistant to blasts and fire in buildings, UAH research says, University of Alabama at Huntsville, JAN 31, 2022

2 Elias Ali & Fadi Althoey, Numerical Investigation on Blast Response of Cold-Formed Steel Framing Protected with Functionally Graded Composite Material, Buildings, 25 January 2022

3 Elias Ali, Kermelos Woldeyes, GirumUrgessa, Fire performance of functionally-graded-material sheathed load bearing thin-walled structural framing, Fire Safety Journal Volume 125, October 2021, 103425