上月底，ASME SmartBrief《INNOVATIONS & TRENDS》栏目推介美国阿拉巴马州立大学伊莱亚斯· 阿里(Elias Ali)博士的研究成果说，一种新设计的复合材料，给建筑物的居住者更多时间避免火灾或爆炸的后果。作为护套的功能级配材料，能使冷成型钢梁和柱的倒塌载荷分别提高12 %和18 %，还能抑制火灾蔓延……[1]

伊莱亚斯·阿里博士说，功能级配材料是工程材料的未来。

据位于亨茨维尔的阿拉巴马大学(UAH)的最新研究[2]指出，当炸弹爆炸或起火时，用目前仅用于特殊用途的工程复合材料建造或改进的建筑物，就可为幸存的居住者争取更多的时间逃生。

阿拉巴马大学土木工程系讲师伊莱亚斯·阿里博士新的研究指出，最近开发的一种复合材料，即功能级配材料(FGM，Functionally graded material)按照厚度逐渐变化的特征，在结构用途上是一种有效的防爆材料。

在新的研究中，这种复合材料对冷弯型钢梁和柱的破坏荷载分别增加12%和18%。阿里博士领导的早期研究发现[3]，与石膏板相比，把功能级配材料用作建筑物的护套材料，可以将火灾蔓延到建筑主要结构部分的速度降低14 %。

导致FGM发展的工程材料的历史

人们称FGM为复合材料的“圣杯”。目前，制造成本高，大规模生产与制成复杂形状的挑战，限制把它用于先进技术，如航空航天工业、海军船舶建造和按需制造的普通用途。

阿里博士说，“在FGM复合材料方面，材料科学和结构工程研究界面临的挑战是用途不广。”“到目前为止，只有少数几家公司致力于它的制造，而且主要局限于航空航天和国防工业。”

FGM具有独特的、极不寻常的材料特性，但也保留了它们的优势。阿里博士说：“由于机械性能改善，FGM可用于高热、化学或机械应力极端载荷，甚至可能导致单一材料部件失效的环境。”

阿里博士和他的合作者Fadi Althoey博士(沙特阿拉伯Najran大学土木工程系项目负责人兼助理教授)利用计算机建模和仿真，研究一种金属/陶瓷复合材料的抗爆和防火性能。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，FGM对经加固防爆的建筑物具有吸引力，在地震和气候恶劣地区，也证明是有益的，尽管他的研究并不包括这类的测试。

阿里博士说，“根据我们的数值研究，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。”“在地震和飓风中的表现，还需进一步研究。然而，我们可以从研究中预测，在这样的极端事件中，它们也是有用的。”

虽然数值模拟的结果为极端载荷环境下的结构提供了新的材料解决方案，但阿里博士说，为了完成这项研究，还需进行实验研究。

阿里博士说，级配界面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FGM。

他说，“作为一项新兴技术，增材制造(AM)能够用金属、陶瓷、聚合物等多种材料，以及它们以复合、混合或功能梯度材料的形式组合，生产功能齐全的部件。” “AM还对材料的空间变化提供高度的控制。”

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。

阿里博士说，“由于FGM是一种多功能材料，我预计这种材料将在许多方面得到应用，包括新建筑和改造工程，”“我认为这将是工程材料的未来。”

资料与注释

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,