"Mittetraditsioonilised materjalid" on sõja- ja kosmosetööstuses üks tehnoloogiaarenduse olulisemaid valdkondi. Materjalid peavad tegema rohkem kui lihtsalt kandekonstruktsiooni - need peavad olema nutikad materjalid
Nutikad materjalid on materjalide eriklass, millel on võime toimida ajamina ja andurina, pakkudes vajalikke mehaanilisi deformatsioone, mis on seotud temperatuuri, elektrivoolu või magnetvälja muutustega. Kuna komposiitmaterjalid koosnevad rohkem kui ühest materjalist ja kaasaegse tehnoloogia arengu tõttu on nüüd võimalik integreeritud funktsionaalsuse pakkumise protsessi kaasata ka muid materjale (või konstruktsioone), näiteks:
- Morphing, - isetervendav, - taju, - piksekaitse ja
- Energia salvestamine.
Selles artiklis keskendume kahele esimesele valdkonnale.
Materjalide ja struktuuride muutmine
Morfiseerivate materjalide hulka kuuluvad need materjalid, mis pärast sisendsignaale muudavad oma geomeetrilisi parameetreid ja mis suudavad väliste signaalide seiskumisel oma esialgse kuju taastada.
Neid materjale kasutatakse nende reaktsiooni tõttu kuju muutumise vormis täiturmehhanismidena, kuid neid saab kasutada ka vastupidisel viisil, st anduritena, milles materjalile avaldatav väline mõju muudetakse signaal. Nende materjalide lennundusrakendused on erinevad: andurid, ajamid, lülitid elektripaigaldistes ja -seadmetes, avioonika ja ühendused hüdrosüsteemides. Eelised on: erakordne töökindlus, pikk kasutusiga, lekete puudumine, madalad paigalduskulud ja märkimisväärne hoolduse vähenemine. Eelkõige pakuvad morfiseerivatest materjalidest ja vormimällisulamitest täiturmehhanismidest erilist huvi ajamid elektroonika jahutussüsteemide automaatseks juhtimiseks ning ajamid kabiini kliimaseadmete juhtklappide sulgemiseks / avamiseks.
Elektrivälja rakendamise tõttu kuju muutvad materjalid hõlmavad piesoelektrilisi materjale (kristalse struktuuriga materjalide polarisatsiooni nähtus mehaaniliste pingete mõjul (otsene piesoelektriline efekt) ja mehaanilised deformatsioonid elektrivälja toimel (vastupidine piesoelektriline efekt)) ja elektrostriktiivsed materjalid. Erinevus seisneb reaktsioonis rakendatavale elektriväljale: piesoelektriline materjal võib pikendada või lühendada, samas kui elektrostriktiivne materjal ainult pikeneb, sõltumata rakendatava välja suunast. Andurite puhul mõõdetakse ja töödeldakse mehaanilise pinge tekitatud pinget, et saada teavet sama pinge kohta. Neid otsese piesoelektrilise efektiga materjale kasutatakse laialdaselt kiirendus- ja koormusandurites, akustilistes andurites. Kõikides ajamites kasutatakse muid pöörd -piesoelektrilisel efektil põhinevaid materjale; neid kasutatakse sageli luuresatelliitide optilistes süsteemides, kuna need on võimelised läätsede ja peeglite asendit nanomeetri täpsusega reguleerima. Ülalnimetatud materjalid on samuti kaasatud morfiseeritavatesse struktuuridesse, et muuta teatud geomeetrilisi omadusi ja anda neile struktuuridele erilisi lisaomadusi. Morfstruktuur (nimetatakse ka nutikaks struktuuriks või aktiivseks struktuuriks) on võimeline tajuma muutusi välistingimustes, mis on tingitud sellesse sisseehitatud anduri / elektromehaanilise andurisüsteemi toimimisest. Sel viisil (ühe või mitme mikroprotsessori ja toiteelektroonika olemasolu tõttu) saab indutseerida asjakohaseid muutusi vastavalt anduritelt saabuvatele andmetele, võimaldades struktuuril kohaneda väliste muutustega. Selline aktiivne jälgimine ei kehti mitte ainult välise sisendsignaali (nt mehaaniline rõhk või kuju muutus), vaid ka sisemiste omaduste muutuste kohta (nt kahjustused või rikked). Kasutusala on üsna lai ja hõlmab kosmosesüsteeme, lennukeid ja helikoptereid (vibratsiooni, müra, kuju muutumise, pingejaotuse ja aeroelastse stabiilsuse kontroll), laevasüsteeme (laevad ja allveelaevad), samuti kaitsetehnoloogiaid.
Üks konstruktsioonisüsteemides esineva vibratsiooni (vibratsiooni) vähendamise tendents on väga huvitav. Vibratsiooni tuvastamiseks on kõige pingelisemates kohtades paigutatud spetsiaalsed andurid (mis koosnevad mitmekihilisest piesoelektrilisest keraamikast). Pärast vibratsioonist põhjustatud signaalide analüüsimist saadab mikroprotsessor ajamile signaali (võrdeline analüüsitud signaaliga), mis reageerib sobiva liigutusega, mis on võimeline vibratsiooni pärssima. USA armee rakenduslennutehnoloogia büroo ja NASA on katsetanud sarnaseid aktiivseid süsteeme, et vähendada helikopteri CH-47 mõnede elementide ja ka hävitaja F-18 sabatasapindade vibratsiooni. FDA on juba alustanud aktiivsete materjalide integreerimist rootori labadesse, et kontrollida vibratsiooni.
Tavalises pearootoris kannatavad labad pöörlemisest ja kõikidest sellega seotud nähtustest tingitud kõrge vibratsiooni tõttu. Sel põhjusel ja vibratsiooni vähendamiseks ning teradele mõjuvate koormuste kontrollimise hõlbustamiseks katsetati aktiivseid tera, millel on suur painduvus. Spetsiaalsel testil (mida nimetatakse "sisseehitatud keerdusahelaks"), kui ründenurk muutub, pööratakse tera kogu pikkuses tänu aktiivkiudkomposiit AFC-le (pehme keraamilisse maatriksisse integreeritud elektrokeraamiline kiud) tera struktuuri sisse. Aktiivkiud laotakse kihiti, üks kiht teise kohal, tera ülemisele ja alumisele pinnale 45 -kraadise nurga all. Aktiivsete kiudude töö tekitab terale hajutatud pinge, mis põhjustab kogu tera vastava paindumise, mis võib tasakaalustada kiikuv vibratsiooni. Teist katset („diskreetsete kiikede aktiveerimine”) iseloomustab piesoelektriliste mehhanismide (täiturmehhanismide) laialdane kasutamine vibratsiooni kontrollimiseks: ajamid asetatakse labakonstruktsiooni, et juhtida mõnede tagaserva ääres asuvate deflektorite tööd. Seega tekib aeroelastne reaktsioon, mis võib sõukruvi tekitatud vibratsiooni neutraliseerida. Mõlemat lahendust hinnati tõelise helikopteriga CH-47D testis nimega MiT Hower Test Sand.
Muutuvate konstruktsioonielementide väljatöötamine avab uusi väljavaateid keerukamate konstruktsioonide projekteerimisel, samas kui nende kaal ja maksumus vähenevad oluliselt. Vibratsioonitaseme märkimisväärne vähenemine tähendab: konstruktsiooni pikemat eluiga, vähem konstruktsiooni terviklikkuse kontrolle, lõppkonstruktsioonide kasumlikkust, kuna konstruktsioonid on vähem vibreeritud, mugavamad, paranenud lennuki jõudlus ja helikopterite müra kontroll.
NASA andmetel eeldatakse järgmise 20 aasta jooksul, et vajadus kerge jõudlusega ja kompaktsemaks muutuvate suure jõudlusega õhusõidukisüsteemide järele nõuab morfiseerivate konstruktsioonide laialdasemat kasutamist.
Enesetervendavad materjalid
Nutikate materjalide klassi kuuluvad isetervendavad materjalid on võimelised iseseisvalt parandama mehaanilisest pingest või välismõjudest tingitud kahjustusi. Nende uute materjalide väljatöötamisel kasutati inspiratsiooni allikana looduslikke ja bioloogilisi süsteeme (näiteks taimed, mõned loomad, inimese nahk jne) (tegelikult nimetati neid alguses biotehnoloogilisteks materjalideks). Tänapäeval leidub isetervendavaid materjale täiustatud komposiitides, polümeerides, metallides, keraamikas, korrosioonivastastes katetes ja värvides. Erilist rõhku pannakse nende rakendamisele kosmoserakendustes (suuremahulisi uuringuid viivad läbi NASA ja Euroopa Kosmoseagentuur), mida iseloomustavad vaakum, suured temperatuurierinevused, mehaanilised vibratsioonid, kosmiline kiirgus, samuti kahjustuste vähendamine. põhjustatud kokkupõrgetest kosmoseprügi ja mikrometeoriitidega. Lisaks on lennundus- ja kaitsetööstuse jaoks hädavajalikud isetervendavad materjalid. Kaasaegsed polümeerkomposiidid, mida kasutatakse kosmosetööstuses ja sõjaväes, on vastuvõtlikud mehaaniliste, keemiliste, termiliste, vaenlase tulekahjude või nende tegurite kombinatsiooni põhjustatud kahjustustele. Kuna materjalide sisemisi kahjustusi on raske märgata ja parandada, oleks ideaalne lahendus nano- ja mikrotasandil tekkinud kahjustuste kõrvaldamine ning materjali esialgsete omaduste ja seisundi taastamine. Tehnoloogia põhineb süsteemil, mille kohaselt materjal sisaldab kahte erinevat tüüpi mikrokapsleid, millest üks sisaldab isetervendavat komponenti ja teine teatud katalüsaatorit. Kui materjal on kahjustatud, hävitatakse mikrokapslid ja nende sisu võib üksteisega reageerida, täites kahjustused ja taastades materjali terviklikkuse. Seega aitavad need materjalid oluliselt kaasa kaasaegsete lennukite arenenud komposiitide ohutusele ja vastupidavusele, välistades samas vajaduse kuluka aktiivse jälgimise või välise remondi ja / või asendamise järele. Vaatamata nende materjalide omadustele on vaja parandada kosmosetööstuses kasutatavate materjalide hooldatavust ning selle rolli jaoks pakutakse välja mitmekihilised süsinik -nanotorud ja epoksüsüsteemid. Need korrosioonikindlad materjalid suurendavad komposiitide tõmbetugevust ja summutusomadusi ega muuda termilist löögikindlust. Samuti on huvitav välja töötada keraamilise maatriksiga komposiitmaterjal - maatrikskompositsioon, mis muudab iga hapniku molekuli (kahjustuse tagajärjel materjali sisse tunginud) madala viskoossusega räni -hapnikuosakeseks, mis võib voolata kahjustuste tõttu kapillaariefektini ja täitke need. NASA ja Boeing katsetavad kosmosetööstuse struktuurides iseenesest paranevaid pragusid, kasutades sisseehitatud mikrokapslitega polüdimetüülsiloksaan-elastomeermaatriksit.
Isetervendavad materjalid on võimelised kahjustusi parandama, sulgedes stantsitud objekti ümber oleva tühiku. Ilmselgelt uuritakse selliseid võimeid kaitsetasandil nii soomusmasinate ja tankide kui ka isikukaitsesüsteemide puhul.
Sõjaliste rakenduste isetervendavad materjalid nõuavad hüpoteetilise kahjustusega seotud muutujate hoolikat hindamist. Sel juhul sõltub löögikahjustus:
- kuulist tulenev kineetiline energia (mass ja kiirus), - süsteemi konstruktsioonid (väline geomeetria, materjalid, raudrüü) ja
- kokkupõrkegeomeetria analüüs (kohtumisnurk).
Seda silmas pidades katsetavad DARPA ja USA armeelaborid kõige arenenumate isetervendavate materjalidega. Eelkõige saab taastavaid funktsioone käivitada kuulide läbitungimisega, kus ballistiline löök põhjustab materjali lokaalset kuumutamist, mis teeb võimalikuks isetervendamise.
Väga huvitavad on isetervendava klaasi uuringud ja testid, milles mõnest mehaanilisest toimest tingitud praod täidetakse vedelikuga. Isetervendavat klaasi saab kasutada sõjaväesõidukite kuulikindlate esiklaaside valmistamisel, mis võimaldaksid sõduritel head nähtavust säilitada. Samuti võib see leida rakendusi muudes valdkondades, lennunduses, arvutiekraanides jne.
Üks tulevastest suurtest väljakutsetest on konstruktsioonielementides ja -katetes kasutatavate täiustatud materjalide eluea pikendamine. Uuritakse järgmisi materjale:
-grafeenil põhinevad isetervendavad materjalid (kahemõõtmeline pooljuhtide nanomaterjal, mis koosneb ühest süsinikuaatomikihist), - täiustatud epoksüvaigud, - päikesevalguse kätte sattunud materjalid, - korrosioonivastased mikrokapslid metallpindadele, - elastomeerid, mis taluvad kuuli lööki, ja
süsiniknanotorusid, mida kasutatakse lisakomponendina materjali jõudluse parandamiseks.
Praegu katsetatakse ja uuritakse eksperimentaalselt märkimisväärset hulka nende omadustega materjale.
Väljund
Aastaid pakkusid insenerid sageli välja kontseptuaalselt paljulubavaid projekte, kuid ei suutnud neid ellu viia, kuna nende praktiliseks elluviimiseks sobivate materjalide kättesaamatus oli puudulik. Täna on peamine eesmärk luua kergekaalulisi konstruktsioone, millel on silmapaistvad mehaanilised omadused. Kaasaegsed edusammud kaasaegsetes materjalides (nutikad materjalid ja nanokomposiidid) mängivad vaatamata kogu keerukusele võtmerolli, kui omadused on sageli väga ambitsioonikad ja mõnikord isegi vastuolulised. Praegu on kõik muutumas kaleidoskoopilise kiirusega, uue materjali puhul, mille tootmine on alles algamas, on järgmine, mille käigus nad katsetavad ja katsetavad. Lennundus- ja kaitsetööstus saab nendest hämmastavatest materjalidest palju kasu.
