Functionally graded materials (FGM) of PSZ/NiCrAlY on Inconel substrate were fabricated by detonation gun spraying method. A thick ceramic layer generally has a high thermal barrier effect however, because failure often occurs, the use of an FGM layer gives an advantage in thermal property. During the thermal shock test, micro fracture processes were detected by the AE method. Also, the thermal shock test was performed for NFGM, FGM and the changed FGM in the layered composition profile. It was found through AE testing and the observation of fracture surface that FGM was superior to NFGM in thermal shock properties. The linear or metal-rich type FGM in composition profile had the best resisting property among the FGM. It was found that the controlled composition profile of the graded layers had better thermal properties.
As FGM (functionally graded material) bars which vibrate in axial or longitudinal direction have great potential for applications in diverse engineering fields, developing a reliable mathematical model that provides very reliable vibration and wave characteristics of a FGM axial bar, especially at high frequencies, has been an important research issue during last decades. Thus, as an extension of the previous works (Hong et al. 2014, Hong and Lee 2015) on three-layered FGM axial bars (hereafter called FGM bars), an enhanced spectral element model is proposed for a FGM bar model in which axial and radial displacements in the radial direction are treated more realistic by representing the inner FGM layer by multiple sub-layers. The accuracy and performance of the proposed enhanced spectral element model is evaluated by comparison with the solutions obtained by using the commercial finite element package ANSYS. The proposed enhanced spectral element model is also evaluated by comparison with the author's previous spectral element model. In addition, the effects of Poisson's ratio on the dynamics and wave characteristics in example FGM bars are numerically investigated.
Several classical and higher order plate theories were used to study the buckling of functionally graded material (FGM) plates. In the great majority of research, a power function is used to represent metal and ceramic material transverse distribution (P-FGM). Therefore, the effect of having other transverse variation of material properties on the buckling behavior of thick rectangular FGM plates was not properly addressed. In the present work, this effect is investigated using the Third order Shear Deformable Theory (TSDT) for the case of simply supported FGM plate. Both a sigmoid function and an exponential functions are used to represent the transverse gradual property variation. The plate governing equations are combined with a Navier type expanded solution of the unknown displacements to derive the buckling equation in terms of the pre-buckling in-plane loads. Finally, the critical in-plane load is calculated for the different buckling modes. The model is verified by a comparison of the calculated buckling loads with available published results of Al-SiC P-FGM plates. The conducted parametric study shows that manufacturing FGM plates with sigmoid variation of properties in the thickness direction increases the buckling load considerably. This improvement is found to be more significant for the case of thick plates than that of thin plates. Results also show that this stiffening-like effect of the sigmoid function profile is more evident for cases where the in-plane loads are applied along the shorter edge of the plate.
A four-layered W/Cu functionally graded material (FGM) (W90% + Cu10%/W80% + Cu20%/W70% + Cu30%/W60% + Cu40%, wt.% fraction) and a four-layered diamond/W-Cu FGM (W90% + Cu10%/W80% + Cu20%/W70% + Cu30%/W55% + Cu40% + diamond5%, wt.% fraction) were fabricated by microwave sintering. The thermal conductivity and thermal shock resistance of diamond/W-Cu FGM and W-Cu FGM were investigated. The morphologies of the diamond particles and different FGMs were analyzed using AFM, SEM, EDS, and TEM. The results show that a 200 nm rough tungsten coating was formed on the surface of the diamond. The density of the tungsten-coated diamond/W-Cu FGM, obtained by microwave sintering at 1200 ℃ for 30 min, was 94.66%. The thermal conductivity of the fourlayered diamond/W-Cu FGM was 220 W·m-1·K-1, which is higher than that of the four-layered W/Cu FGM (209 W m-1 K-1). This indicates that adding an appropriate amount of tungsten-coated diamond to the high Cu layer W/Cu FGM improves the thermal conductivity of the composite. The diamond/W-Cu FGM sintered at 1200 ℃ for 10 min exhibited better thermal shock resistance than diamond/W-Cu FGM sintered at 1100 ℃ for 10 min.
The main objective of this paper is to compute the far-field acoustic radiation (sound radiation) of functionally graded plates (FGM) loaded by sinusoidally varying point load subjected to the arbitrary boundary condition is carried out. The governing differential equations for thin functionally graded plates (FGM) are derived using classical plate theory (CPT) and Rayleigh integral using the elemental radiator approach. Four cases, segregated on power-law index k=0,1,5,10, are studied. A novel approach is illustrated to compute sound fields of vibrating FGM plates using the physical neutral surface with an elemental radiator approach. The material properties of the FGM plate for all cases are calculated considering the power law indexes. An in-house MATLAB code is written to compute the natural frequencies, normal surface velocities, and sound radiation fields are analytically calculated using semi-analytical formulation. Ansys is used to validate the computed sound power level. The parametric effects of the power law index, modulus ratios, different constituent of FGM plates, boundary conditions, damping loss factor on the sound power level, and radiation efficiency is illustrated. This work is the benchmark approach that clearly explains how to calculate acoustic fields using a solid layered FGM model in ANSYS ACT. It shows that it is possible to asymptotically stabilize the structure by controlling the intermittent layers' stiffness. It is found that sound fields radiated by the elemental radiators approach in MATLAB, ANSYS and literatures are in good agreement. The main novelty of this research is that the FGM plate is analyzed in the low-frequency range, where the stiffness-controlled region governs the whole analysis. It is concluded that a clamped mono-ceramic FGM plate radiates a lesser sound power level and higher radiation efficiency than a mono-metallic or metal-rich FGM plate due to higher stiffness. It is found that change in damping loss factor does not affect the same constituents of FGM plates but has significant effects on the different constituents of FGM plates.
In this work, thermomechanical flexural analysis of functionally graded material sandwich plates with P-FGM face sheets and E-FGM and symmetric S-FGM core is performed by employing a nth-order shear deformation theory. A novel type of S-FGM sandwich plates, namely, both P-FGM face sheets and a symmetric S-FGM hard core are considered. By employing only four unknown variables, the governing equations are obtained based on the principle of virtual work and then Navier method is used to solve these equations. Analytical solutions are deduced to compute the stresses and deflections of simply supported S-FGM sandwich plates. The effects of volume fraction variation, geometrical parameters and thermal load on thermomechanical flexural behavior of the symmetric FGM sandwich plates are investigated.
In this paper, thermal effect on the vibration and stability of initially stressed sandwich plates with functionally graded material (FGM) face sheets is analyzed. Material properties of FGM face sheet are graded continuously in the thickness direction. The variation of FGM properties assumes a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. The governing equations of arbitrarily initially-stressed sandwich plates including the effects of transverse shear deformation and rotary inertia are derived. The initial stress is taken to be a combination of a uniaxial extensional stress and a pure bending stress in the examples. The eigenvalue problems are formed to study the vibration and buckling characteristics of simple supported initially stressed FGM/metal/FGM plates. The effects of volume fraction index, temperature rise, initial stress and layer thickness of metal on the natural frequencies and buckling loads are investigated. The results reveal that the volume fraction index, initial stresses and layer thickness of metal have significant influence on the vibration and stability of sandwich plates with FGM face sheets.
In this article, the buckling and free vibration of multi-directional FGM sandwich plates are investigated. The material properties of FGM sandwich plates are assumed to be varying continuously in the in the longitudinal, transverse and thickness directions. The material properties are evaluated based on Voigt's micro-mechanical model considering power law distribution method with arbitrary power index. Equations of motion for the buckling and vibration analysis of multi-directional FGM sandwich plate are obtained based on refined shear deformation theory. Analytical solution for simply supported multidirectional FGM sandwich plate is carried out using Navier's solution technique. The FGM sandwich plate considered in this work has a homogeneous ceramic core and two functionally graded face sheets. Influence of volume fraction index in the longitudinal, transverse and thickness direction, layer thickness, and geometrical parameter over natural frequency and critical buckling load of multi-directional FGM sandwich plate is investigated. The finding shows a multi-directional functionally graded structures perform better compared to uni-directional gradation. Hence, critical grading parameters have been identified which will guide researchers in selecting fabrication routes for improving the performance of such structures.
Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.11
no.3
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pp.115-119
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2001
Hydroxyapatite-yttria stabilized zirconia bioceramics containing fine zirconia particles were prepared as 3-layered functionally graded materials (FGMs) using a spark plasma sintering (SPS) and hot pressing (HP) apparatuses. The pretreatment of the raw hydroxyapatite promoted the sinterability of hydroxyapatite. The maximum density of pretreated FGM composites could be obtained at lower temperature than that for he untreated FGM samples. No decomposition from hydroxyapatite to three calcium phosphate (TCP) was observed in FGMs of HAp-$ZrO_2$ sintered below $1200^{\circ}C$ for 8 min under 10 MPa by SPS. However, the transformation of the tetragonal zirconia to the cubic modification had occurred in FGMs at this temperature. The presence of zirconia i.e. stress induced transformation of zirconia may be expected to enhance the mechanical properties of HAp-$ZrO_2$ FGM. The SPS is concluded as a better method to fabricated the FGM with dense and high strength compared with HP process.
Flexural bending analysis of perfect and imperfect functionally graded materials plates under hygro-thermo-mechanical loading are investigated in this present paper. Due to technical problems during FGM fabrication, porosities and micro-voids can be created inside FGM samples which may lead to the reduction in density and strength of materials. In this investigation, the FGM plates are assumed to have even and uneven distributions of porosities over the plate cross-section. The modified rule of mixture is used to approximate material properties of the FGM plates including the porosity volume fraction. In order the elastic coefficients, thermal coefficient and moisture expansion coefficient of the plate are assumed to be graded in the thickness direction. The elastic foundation is modeled as two-parameter Pasternak foundation. The equilibrium equations are given and a number of examples are solved to illustrate bending response of Metal-Ceramic plates subjected to hygro-thermo-mechanical effects and resting on elastic foundations. The influences played by many parameters are investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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