„Нетрадиционни материали“е една от най-важните области на технологичното развитие във военната и космическата индустрия. Материалите трябва да правят нещо повече от това да служат като носеща конструкция - те трябва да бъдат интелигентни материали
Умните материали са специален клас материали, които имат способността да действат като задвижващ механизъм и като сензор, осигуряващ необходимите механични деформации, свързани с промени в температурата, електрическия ток или магнитното поле. Тъй като композитните материали са съставени от повече от един материал и поради съвременния технологичен прогрес, сега е възможно да се включат други материали (или конструкции) в процеса на осигуряване на интегрирана функционалност в области като:
- Морфинг, - Самолечение, - Възприятие, - Мълниезащита и
- Енергиен запас.
В тази статия ще се съсредоточим върху първите две области.
Материали за морфиране и структури за преобразуване
Морфиращите материали включват тези материали, които след входящите сигнали променят своите геометрични параметри и които са в състояние да възстановят първоначалната си форма, когато външните сигнали спрат.
Поради реакцията си под формата на промяна във формата, тези материали се използват като задвижващи механизми, но могат да се използват и по обратния начин, тоест като сензори, при които външно въздействие върху материала се трансформира в сигнал. Въздушно -космическите приложения на тези материали са различни: сензори, задвижващи механизми, превключватели в електрически инсталации и апарати, авионика и връзки в хидравлични системи. Предимствата са: изключителна надеждност, дълъг експлоатационен живот, без течове, ниски инсталационни разходи и значително намаляване на поддръжката. По -специално, сред задвижвания, изработени от морфиращи материали и сплави с памет на формата, задвижванията за автоматично управление на охладителните системи на авиониката и задвижванията за затваряне / отваряне на водещи амортисьори в климатичните системи в пилотската кабина са от особен интерес.
Материалите, които променят формата си в резултат на прилагането на електрическо поле, включват пиезоелектрични материали (явлението поляризация на материали с кристална структура под действието на механични напрежения (директен пиезоелектричен ефект) и механични деформации под действието на електрическо поле (обратен пиезоелектричен ефект)) и електрострикционни материали. Разликата се крие в реакцията на приложено електрическо поле: пиезоелектричният материал може да се удължи или скъси, докато електрострикционният материал само се удължава, независимо от посоката на приложеното поле. В случай на сензори, напрежението, генерирано от механично напрежение, се измерва и обработва, за да се получи информация за същото напрежение. Тези материали с директен пиезоелектричен ефект се използват широко в сензори за ускорение и натоварване, акустични сензори. Други материали, базирани на обратния пиезоелектричен ефект, се използват във всички задвижващи механизми; те често се използват в оптични системи за разузнавателни спътници, тъй като са способни да регулират позицията на лещите и огледалата с нанометрова точност. Гореспоменатите материали също са включени в структурите за промяна, за да се променят определени геометрични характеристики и да се придадат специални допълнителни свойства на тези структури. Морфовата структура (наричана още интелигентна структура или активна структура) е способна да усеща промени във външните условия поради работата на вградената в нея сензорна / електромеханична преобразувателна система. По този начин (поради наличието на един или повече микропроцесори и силова електроника) могат да се предизвикат подходящи промени в съответствие с данните, идващи от сензорите, което позволява на структурата да се адаптира към външни промени. Такъв активен мониторинг е приложим не само за външен входен сигнал (напр. Механично налягане или промяна на формата), но и за промени във вътрешните характеристики (напр. Повреда или повреда). Обхватът на приложение е доста широк и включва космически системи, самолети и хеликоптери (контрол на вибрации, шум, промяна на формата, разпределение на напреженията и аеродиластична стабилност), морски системи (кораби и подводници), както и технологии за защита.
Една от тенденциите за намаляване на вибрациите (вибрации), които се появяват в структурните системи, е много интересна. Специални сензори (състоящи се от многослойна пиезоелектрична керамика) са поставени в най -напрегнатите точки, за да се открият вибрации. След анализ на сигналите, предизвикани от вибрации, микропроцесорът изпраща сигнал (пропорционален на анализирания сигнал) към задвижващия механизъм, който реагира с подходящо движение, способно да инхибира вибрациите. Службата за приложни авиационни технологии на американската армия и НАСА са тествали подобни активни системи, за да намалят вибрациите на някои елементи от хеликоптера CH-47, както и на опашните самолети на изтребителя F-18. FDA вече започна да интегрира активни материали в лопатките на ротора, за да контролира вибрациите.
При конвенционален основен ротор лопатките страдат от високи нива на вибрации, причинени от въртене и всички свързани с тях явления. Поради тази причина и с цел намаляване на вибрациите и улесняване на контрола върху натоварванията, действащи върху лопатките, бяха тествани активни остриета с висока способност за огъване. При специален тип изпитване (наречено „вградена усукваща верига“), когато ъгълът на атака се промени, острието се усуква по цялата му дължина благодарение на композитния AFC от активни влакна (електрокерамични влакна, вградени в мека полимерна матрица) в структурата на острието. Активните влакна са подредени на слоеве, един слой над друг, върху горната и долната повърхност на острието под ъгъл от 45 градуса. Работата на активните влакна създава разпределено напрежение в острието, което причинява съответно огъване по цялото острие, което може да балансира вибрациите на люлеенето. Друг тест („активиране на дискретни люлки“) се характеризира с широкото използване на пиезоелектрични механизми (задвижващи механизми) за управление на вибрациите: задвижващите механизми се поставят в конструкцията на лопатката, за да контролират работата на някои дефлектори, разположени по протежение на задния ръб. По този начин възниква аеро -еластична реакция, която може да неутрализира вибрациите, генерирани от витлото. И двете решения бяха оценени на истински хеликоптер CH-47D в тест, наречен MiT Hower Test Sand.
Развитието на морфинг структурни елементи отваря нови перспективи при проектирането на конструкции с повишена сложност, като същевременно теглото и цената им са значително намалени. Значително намаляване на нивата на вибрации се изразява в: увеличен живот на конструкцията, по -малко проверки на цялостността на конструкцията, повишена рентабилност на крайните проекти, тъй като конструкциите са подложени на по -малко вибрации, повишен комфорт, подобрени летателни характеристики и контрол на шума в хеликоптерите.
Според НАСА се очаква през следващите 20 години необходимостта от високопроизводителни самолетни системи, които да станат по -леки и по -компактни, да изисква по -широко използване на морфинг проекти.
Самолечебни материали
Самовъзстановяващите се материали, принадлежащи към класа интелигентни материали, са в състояние самостоятелно да поправят щети, причинени от механично натоварване или външни влияния. При разработването на тези нови материали естествени и биологични системи (например растения, някои животни, човешка кожа и т.н.) са били използвани като източник на вдъхновение (всъщност в началото те са били наричани биотехнологични материали). Днес самовъзстановяващи се материали могат да бъдат намерени в съвременни композити, полимери, метали, керамика, антикорозионни покрития и бои. Особено се набляга на тяхното приложение в космическите приложения (мащабни изследвания се извършват от НАСА и Европейската космическа агенция), които се характеризират с вакуум, големи температурни разлики, механични вибрации, космическа радиация, както и за намаляване на щетите причинени от сблъсъци с космически отломки и микрометеорити. В допълнение, самолечебните материали са от съществено значение за авиационната и отбранителната индустрия. Съвременните полимерни композити, използвани в космическите и военните приложения, са податливи на повреди, причинени от механичен, химичен, термичен, вражески огън или комбинация от тези фактори. Тъй като увреждането вътре в материалите е трудно да се забележи и поправи, идеалното решение би било да се премахнат щетите, настъпили на нано и микро ниво, и да се възстановят материалите до първоначалните им свойства и състояние. Технологията се основава на система, според която материалът включва микрокапсули от два различни типа, единият съдържа самовъзстановяващ се компонент, а другият определен катализатор. Ако материалът е повреден, микрокапсулите се унищожават и съдържанието им може да реагира помежду си, запълвайки повредата и възстановявайки целостта на материала. По този начин тези материали допринасят значително за безопасността и издръжливостта на усъвършенстваните композити в съвременните самолети, като същевременно елиминират необходимостта от скъп активен мониторинг или външен ремонт и / или подмяна. Въпреки характеристиките на тези материали, има нужда от подобряване на поддържаемостта на материалите, използвани от космическата индустрия, като за тази роля се предлагат многослойни въглеродни нанотръби и епоксидни системи. Тези устойчиви на корозия материали повишават якостта на опън и амортизиращите свойства на композитите и не променят устойчивостта на термичен удар. Интересно е също така да се разработи композитен материал с керамична матрица - матричен състав, който превръща всяка кислородна молекула (проникнала в материала в резултат на увреждане) в силициево -кислородна частица с нисък вискозитет, която може да се влее в повреда поради до капилярен ефект и ги запълнете. НАСА и Boeing експериментират със самовъзстановяващи се пукнатини в космическите структури, използвайки полидиметилсилоксанова еластомерна матрица с вградени микрокапсули.
Самовъзстановяващите се материали са в състояние да поправят щетите, като затварят празнината около перфорирания предмет. Очевидно такива възможности се изучават на ниво отбрана, както за брониране на превозни средства и танкове, така и за системи за лична защита.
Материалите за самолечение за военни приложения изискват внимателна оценка на променливите, свързани с хипотетични щети. В този случай щетите от удара зависят от:
- кинетична енергия, дължаща се на куршума (маса и скорост), - дизайн на системата (външна геометрия, материали, броня) и
- геометричен анализ на сблъсък (ъгъл на среща).
Имайки това предвид, DARPA и лабораториите на американската армия експериментират с най-модерните материали за самолечение. По-специално, възстановителните функции могат да бъдат инициирани чрез проникване на куршуми, където балистичното въздействие причинява локално нагряване на материала, което прави възможно самолечението.
Изследвания и тестове на самовъзстановяващо се стъкло са много интересни, при които пукнатините, причинени от някакво механично действие, се запълват с течност. Самовъзстановяващото се стъкло може да се използва при производството на бронирани предни стъкла на военни превозни средства, което би позволило на войниците да поддържат добра видимост. Той може да намери приложение и в други области, авиацията, компютърните дисплеи и т.н.
Едно от бъдещите големи предизвикателства е да се удължи живота на съвременните материали, използвани в конструктивните елементи и покрития. Разследват се следните материали:
-самовъзстановяващи се материали на базата на графен (двуизмерен полупроводников наноматериал, състоящ се от един слой въглеродни атоми), - усъвършенствани епоксидни смоли, - материали, изложени на слънчева светлина, - антикорозионни микрокапсули за метални повърхности, - еластомери, способни да издържат на удар от куршуми, и
въглеродни нанотръби, използвани като допълнителен компонент за подобряване на производителността на материала.
Значителен брой материали с тези характеристики в момента се тестват и експериментално изследват.
Изход
В продължение на много години инженерите често предлагаха концептуално обещаващи проекти, но не можеха да ги реализират поради недостъпността на подходящи материали за практическото им изпълнение. Днес основната цел е да се създадат леки конструкции с изключителни механични свойства. Съвременният напредък в съвременните материали (интелигентни материали и нанокомпозити) играе ключова роля, въпреки цялата сложност, когато характеристиките често са много амбициозни и понякога дори противоречиви. В момента всичко се променя с калейдоскопска скорост, за нов материал, производството на който тепърва започва, има следващ, върху който те провеждат експерименти и тестове. Авиокосмическата и отбранителната индустрия могат да извлекат много ползи от тези невероятни материали.
