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

伊萊亞斯·阿里博士說，功能級配材料是工程材料的未來。

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

阿拉巴馬大學土木工程系講師伊萊亞斯·阿里博士新的研究指出，最近開發的一種復合材料，即功能級配材料(FGM，Functionally graded material)按照厚度逐漸變化的特征，在結構用途上是一種有效的防爆材料。

在新的研究中，這種復合材料對冷彎型鋼梁和柱的破壞荷載分別增加12%和18%。阿里博士領導的早期研究發現[3]，與石膏板相比，把功能級配材料用作建筑物的護套材料，可以將火災蔓延到建筑主要結構部分的速度降低14 %。

導致FGM發展的工程材料的歷史

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

阿里博士說，“在FGM復合材料方面，材料科學和結構工程研究界面臨的挑戰是用途不廣。”“到目前為止，只有少數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。”

FGM具有獨特的、極不尋常的材料特性，但也保留了它們的優勢。阿里博士說：“由于機械性能改善，FGM可用于高熱、化學或機械應力極端載荷，甚至可能導致單一材料部件失效的環境。”

阿里博士和他的合作者Fadi Althoey博士(沙特阿拉伯Najran大學土木工程系項目負責人兼助理教授)利用計算機建模和仿真，研究一種金屬/陶瓷復合材料的抗爆和防火性能。他們對復合材料在極端載荷環境下的性能進行了廣泛的材料級配敏感性參數研究。

阿里博士說，他的研究顯示，FGM對經加固防爆的建筑物具有吸引力，在地震和氣候惡劣地區，也證明是有益的，盡管他的研究并不包括這類的測試。

阿里博士說，“根據我們的數值研究，這種復合材料可以在火災和爆炸情況下產生彈性結構系統。”“在地震和颶風中的表現，還需進一步研究。然而，我們可以從研究中預測，在這樣的極端事件中，它們也是有用的。”

雖然數值模擬的結果為極端載荷環境下的結構提供了新的材料解決方案，但阿里博士說，為了完成這項研究，還需進行實驗研究。

阿里博士說，級配界面材料在結構工程中的應用仍處于早期研究階段。可以使用幾種技術制造FGM。

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

他預計，對這些材料的更多研究，最終將使FGM廣泛應用于結構和關鍵基礎設施。

阿里博士說，“由于FGM是一種多功能材料，我預計這種材料將在許多方面得到應用，包括新建筑和改造工程，”“我認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