Materiały morfingowe i samoleczące

20

Powiększony obraz mikrokapsułek żelu krzemionkowego w samoregenerującym się polimerze

„Materiały nietradycyjne” to jeden z najważniejszych obszarów rozwoju technologii w przemyśle wojskowym i lotniczym. Materiały muszą nie tylko służyć jako konstrukcja nośna – muszą być „inteligentnymi” materiałami.



Materiały inteligentne to specjalna klasa materiałów, które mają zdolność pracy jako siłownik i czujnik, zapewniając niezbędne odkształcenia mechaniczne związane ze zmianami temperatury, prądu elektrycznego lub pola magnetycznego. Ponieważ materiały kompozytowe składają się z więcej niż jednego materiału i ze względu na obecne postępy technologiczne, możliwe jest obecnie włączenie do procesu innych materiałów (lub struktur), aby zapewnić zintegrowaną funkcjonalność w obszarach takich jak:
- Morfowanie,
- Samo leczenie,
- Percepcja,
- Ochrona odgromowa i
- Akumulacja energii.
W tym artykule skupimy się na dwóch pierwszych obszarach.

Morphing materiałów i morfing struktur

Materiały morfingowe to takie materiały, które po sygnałach wejściowych zmieniają swoje parametry geometryczne i są w stanie przywrócić swój pierwotny kształt, gdy sygnały zewnętrzne ustaną.

Materiały te są wykorzystywane jako siłowniki ze względu na ich reakcję zmiany kształtu, ale mogą być również stosowane w odwrotny sposób, tj. jako czujniki, w których działanie zewnętrzne przyłożone do materiału jest przekształcane na sygnał. Zastosowania lotnicze tych materiałów są różnorodne: czujniki, siłowniki, przełączniki w instalacjach i aparaturze elektrycznej, awionika i połączenia w układach hydraulicznych. Korzyści to: wyjątkowa niezawodność, długa żywotność, brak wycieków, niski koszt instalacji i znaczne ograniczenie konserwacji. W szczególności wśród siłowników wykonanych z materiałów morfingowych i stopów z pamięcią kształtu szczególnie interesujące są napędy do automatycznego sterowania układami chłodzenia awioniki oraz napędy do zamykania/otwierania przepustnic prowadzących w układach klimatyzacji kokpitu.

Do materiałów zmieniających kształt w wyniku działania pola elektrycznego należą materiały piezoelektryczne (zjawisko występowania polaryzacji materiałów o strukturze krystalicznej pod wpływem naprężeń mechanicznych (bezpośredni efekt piezoelektryczny) oraz występowania odkształceń mechanicznych pod wpływem działania pola elektrycznego. wpływ pola elektrycznego (odwrotny efekt piezoelektryczny) i materiałów elektrostrykcyjnych. Różnica polega na reakcji na przyłożone pole elektryczne: materiał piezoelektryczny może się wydłużać lub skracać, podczas gdy materiał elektrostrykcyjny tylko wydłuża się niezależnie od kierunku przyłożonego pola. W przypadku czujników napięcie powstałe w wyniku działania mechanicznego jest mierzone i przetwarzane w celu uzyskania informacji o tym samym działaniu. Materiały te o bezpośrednim działaniu piezoelektrycznym są szeroko stosowane w czujnikach przyspieszenia i obciążenia, czujnikach akustycznych. We wszystkich siłownikach zastosowano inne materiały oparte na odwrotnym efekcie piezoelektrycznym; są one często stosowane w układach optycznych instalowanych na satelitach rozpoznawczych, ponieważ są w stanie regulować położenie soczewek i luster z dokładnością do nanometra. Powyższe materiały są również zawarte w strukturach morfingowych w celu zmiany niektórych cech geometrycznych i nadania tym strukturom specjalnych dodatkowych właściwości. Struktura morfingowa (nazywana również strukturą inteligentną lub strukturą aktywną) jest w stanie dostrzec zmiany warunków zewnętrznych dzięki działaniu wbudowanego w nią systemu czujników/przetworników elektromechanicznych. W ten sposób (dzięki obecności jednego lub więcej mikroprocesorów i energoelektroniki) możliwe jest wywoływanie odpowiednich zmian zgodnie z danymi pochodzącymi z czujników, co pozwala na adaptację konstrukcji do zmian zewnętrznych. Takie aktywne sterowanie dotyczy nie tylko zewnętrznego sygnału wejściowego (np. docisk mechaniczny lub zmiana kształtu), ale także zmiany charakterystyki wewnętrznej (np. uszkodzenie lub awaria). Zakres zastosowania jest dość szeroki i obejmuje systemy kosmiczne, samoloty i helikoptery (kontrola drgań, hałasu, zmiany kształtu, rozkład naprężeń i stabilność aeroelastyczna), systemy morskie (statki i łodzie podwodne), a także technologie ochrony.

Bardzo ciekawa jest jedna z tendencji do redukcji drgań (oscylacji) występujących w układach konstrukcyjnych. W najbardziej obciążonych punktach umieszczane są specjalne czujniki (składające się z wielowarstwowej ceramiki piezoelektrycznej) w celu wykrycia drgań. Po przeanalizowaniu sygnałów wywołanych drganiami, mikroprocesor wysyła sygnał (proporcjonalny do analizowanego sygnału) do siłownika, który reaguje odpowiednim ruchem zdolnym zapobiec drganiom. W Urzędzie Stosowanym lotnictwo technologie US Army i NASA testowały podobne systemy aktywne w celu redukcji drgań niektórych elementów śmigłowca CH-47, a także ogonów myśliwca F-18. FDA rozpoczęła już integrację materiałów aktywnych z łopatami wirnika w celu kontrolowania wibracji.

W konwencjonalnym wirniku głównym łopatki są narażone na wysoki poziom wibracji spowodowanych obrotem i wszystkimi powiązanymi zjawiskami. Z tego powodu oraz w celu ograniczenia wibracji i ułatwienia kontroli obciążeń działających na łopatki testowano łopatki aktywne o dużej zdolności do wypaczania. W specjalnym teście (zwanym „wbudowanym wzorem skręcania”), gdy zmienia się kąt natarcia, ostrze skręca się na całej swojej długości dzięki kompozytowi z włókien aktywnych AFC (włókno elektroceramiczne osadzone w miękkiej matrycy polimerowej) struktura ostrza. Aktywne włókna układa się warstwami, jedna warstwa nad drugą, na górnej i dolnej powierzchni łopatki pod kątem 45 stopni. Praca aktywnych włókien wytwarza w łopacie rozłożone naprężenia, które powodują odpowiednie wygięcie całej łopaty, zdolne do równoważenia drgań koła zamachowego. Inny test („dyskretna aktywacja koła zamachowego”) charakteryzuje się szerokim wykorzystaniem mechanizmów piezoelektrycznych (siłowników) do kontroli wibracji: siłowniki są umieszczone w konstrukcji łopaty, aby sterować pracą niektórych deflektorów umieszczonych wzdłuż krawędzi spływu. W ten sposób zachodzi reakcja aeroelastyczna, zdolna do zneutralizowania drgań wytwarzanych przez śmigło. Oba rozwiązania zostały ocenione na prawdziwym CH-47D w teście zwanym MiT Hower Test Sand.

Rozwój morfingowych elementów konstrukcyjnych otwiera nowe perspektywy projektowania konstrukcji o zwiększonej złożoności, przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu ich wagi i kosztów. Znaczna redukcja poziomów wibracji pociąga za sobą: zwiększoną żywotność konstrukcji, mniej kontroli integralności konstrukcji, zwiększoną opłacalność projektów końcowych, ponieważ konstrukcje są narażone na mniejsze wibracje, większy komfort, lepsze osiągi lotu i kontrolę hałasu w śmigłowcach.

Według NASA oczekuje się, że w ciągu najbliższych 20 lat zapotrzebowanie na wysokowydajne systemy lotnicze, które będą coraz lżejsze i bardziej kompaktowe, będzie wymagało szerszego stosowania konstrukcji morfingowych.


Rysunek pokazujący, jak działa samoleczący materiał

Materiały samoleczące

Materiały samonaprawiające, należące do klasy materiałów inteligentnych, są w stanie samodzielnie naprawiać uszkodzenia spowodowane naprężeniami mechanicznymi lub wpływami zewnętrznymi. Inspiracją dla tych nowych materiałów (na początku nazywano je właściwie materiałami biotechnologicznymi) zaczerpnięto z systemów naturalnych i biologicznych (np. rośliny, niektóre zwierzęta, ludzka skóra itp.). Obecnie materiały samonaprawiające można znaleźć w zaawansowanych materiałach kompozytowych, polimerach, metalach, ceramice, powłokach antykorozyjnych i farbach. Szczególny nacisk kładziony jest na ich wykorzystanie w zastosowaniach kosmicznych (badania na dużą skalę prowadzi NASA i Europejska Agencja Kosmiczna), które charakteryzują się próżnią, dużymi różnicami temperatur, drganiami mechanicznymi, promieniowaniem kosmicznym, a także ograniczaniem szkód wyrządzanych przez zderzenia ze śmieciami kosmicznymi i mikrometeorytami. Ponadto materiały samoleczące mają ogromne znaczenie dla sektora lotniczego i obronnego. Nowoczesne kompozyty polimerowe stosowane w lotnictwie i wojsku są podatne na uszkodzenia spowodowane ogniem mechanicznym, chemicznym, termicznym, nieprzyjacielskim lub kombinacją tych czynników. Ponieważ uszkodzenia w materiałach są trudne do wykrycia i naprawy, idealnym rozwiązaniem byłaby naprawa powstałych uszkodzeń na poziomie nano- i mikro oraz przywrócenie materiału do jego pierwotnych właściwości i stanu. Technologia opiera się na systemie, w którym w materiale zawarte są dwa różne rodzaje mikrokapsułek, jedna zawierająca składnik samoregenerujący, a druga pewien katalizator. Gdy materiał ulegnie uszkodzeniu, mikrokapsułki ulegają zniszczeniu, a ich zawartość może ze sobą reagować, wypełniając uszkodzenia i przywracając integralność materiału. W ten sposób materiały te w znacznym stopniu przyczyniają się do utrzymania i trwałości zaawansowanych kompozytów we współczesnych samolotach, eliminując jednocześnie potrzebę kosztownego aktywnego monitorowania lub zewnętrznych napraw i/lub wymiany. Pomimo właściwości tych materiałów, istnieje potrzeba poprawy trwałości materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym, a do tej roli proponuje się wielowarstwowe nanorurki węglowe i systemy epoksydowe. Te odporne na korozję materiały zwiększają wytrzymałość kompozytów na rozciąganie i tłumienie oraz nie zmieniają stabilności termicznej. Interesujące jest również opracowanie materiału kompozytowego z osnową ceramiczną - kompozycją osnowy, która przekształca każdą cząsteczkę tlenu (wnikającą w materiał w wyniku uszkodzenia) w cząsteczkę krzemowo-tlenową o niskiej lepkości, która może ulec uszkodzeniu w wyniku efekt kapilarny i wypełnić je.

Materiały samoleczące są w stanie naprawić uszkodzenia, zamykając szczelinę wokół przebitego obiektu. Oczywiście takie możliwości są badane na poziomie obrony, zarówno w przypadku samochodów pancernych, jak i czołgioraz dla systemów ochrony osobistej.

Materiały samonaprawiające do zastosowań wojskowych wymagają dokładnej oceny zmiennych związanych z hipotetycznym uszkodzeniem. W takim przypadku uszkodzenie uderzenia zależy od:
- energia kinetyczna wywołana pociskiem (masa i prędkość),
- projekt systemu (geometria zewnętrzna, materiały, pancerz) oraz
- analiza geometrii kolizji (kąt spotkania).

Biorąc to za podstawę, laboratoria DARPA i US Army eksperymentują z najbardziej zaawansowanymi materiałami samoleczącymi się. W szczególności funkcje naprawcze mogą być zainicjowane przez penetrację pocisku, gdy uderzenie balistyczne powoduje miejscowe nagrzewanie materiału, umożliwiając samoleczenie.

Bardzo interesujące są badania i testy szkła samoregenerującego, w którym pęknięcia powstałe w wyniku działania mechanicznego są wypełnione cieczą. Szkło samoregenerujące można by wykorzystać do wykonania kuloodpornych szyb do pojazdów wojskowych, co pozwoliłoby żołnierzom zachować dobrą widoczność. Może również znaleźć zastosowanie w innych dziedzinach, lotnictwie, wyświetlaczach komputerowych itp.

Jednym z głównych wyzwań przyszłości jest wydłużenie żywotności zaawansowanych materiałów stosowanych w elementach konstrukcyjnych i powłokach. Badane są następujące materiały:

- materiały samonaprawiające się na bazie grafenu (dwuwymiarowy nanomateriał półprzewodnikowy składający się z pojedynczej warstwy atomów węgla),
- zaawansowane żywice epoksydowe,
- materiały wystawione na działanie promieni słonecznych,
- mikrokapsułki antykorozyjne do powierzchni metalowych,
- elastomery odporne na uderzenie pocisku oraz
nanorurki węglowe stosowane jako dodatkowy składnik poprawiający właściwości materiału.

Znaczna liczba materiałów o tych właściwościach jest obecnie testowana i badana eksperymentalnie.

Wniosek

Przez wiele lat inżynierowie często proponowali obiecujące koncepcyjnie projekty, ale nie mogli ich zrealizować ze względu na brak odpowiednich materiałów do ich praktycznej realizacji. Dziś głównym celem jest tworzenie lekkich konstrukcji o wyjątkowych właściwościach mechanicznych. Współczesny postęp w nowoczesnych materiałach (materiały inteligentne i nanokompozyty) odgrywa kluczową rolę, pomimo całej złożoności, gdy cechy są często bardzo ambitne, a czasem nawet sprzeczne. Wszystko zmienia się w tej chwili w kalejdoskopowej prędkości, a nowy materiał, który dopiero zaczyna być produkowany, poprzedza kolejny, na którym eksperymentuje się i testuje. Przemysł lotniczy i obronny może czerpać wiele korzyści z tych niesamowitych materiałów.

Użyte materiały:
www.shephardmedia.com
www.nasa.gov
www.darpa.mil
web.archive.org
www.wikipedia.org
pl.wikipedia.org
20 komentarzy
informacja
Drogi Czytelniku, aby móc komentować publikację, musisz login.
  1. 0
    7 marca 2017 06:00
    Czy będą przykłady zastosowań seryjnych? Tak, pomysł jest ciekawy. Ale przed praktycznym zastosowaniem to jak spacer do Chin.
    1. +3
      7 marca 2017 11:16
      Cóż, tę stronę mam iść, jestem 900 metrów od Chin. Praktyka stosowania kompozytów (o charakterystyce zbliżonej do wskazanych w artykule) w przemyśle obronnym jest wykorzystywana z mocą i powagą.
  2. +1
    7 marca 2017 08:49
    Och, wszystkie mózgi rozbite na kawałki! Splecione wszystkie zwroty akcji!
  3. +1
    7 marca 2017 10:07
    Głupie gadanie. Przyszłość należy do nanorobotów.
    1. +1
      7 marca 2017 11:57
      Nonsens. Przyszłość należy do nanorobotów wykonanych z inteligentnych materiałów.
      Po prostu nie rozumiałem, dlaczego autor cierpiał z powodu tłumaczenia, bo jak pisze o takich rzeczach niespecjalista, to okazuje się to niezdarne, a gdy on też tłumaczy, to podwójnie niezdarne.
      Dla porównania - o materiałach samoleczących - http://plastinfo.ru/information/articles/331/
  4. +2
    7 marca 2017 12:00
    Ten temat nie jest „spektakularny”, ale bardzo ważny. Dzięki nowym materiałom
    pojawią się również przełomowe projekty, które są dziś nie do pomyślenia.
    Era metalu stopniowo ustępuje miejsca erze organicznej. A z organicznych stworzonych takich
    super mocne-lekko-elastyczne struktury, takie jak na przykład skrzydła i odnóża owadów.
    1. 0
      7 marca 2017 13:30
      Nie ma potrzeby przesadzać. Jak zawsze będzie postęp.
  5. 0
    7 marca 2017 12:09
    Wszelkie fluktuacje materiałów, w ruchomych mediach mają algorytmy ich przebiegu. Dlatego do matematycznej analizy takich procesów potrzebne są zupełnie inne technologie analizy matematycznej. W końcu nie da się przeanalizować jednego procesu liniowego bez uwzględnienia tego, co dzieje się we wszystkich kierunkach. Ponadto poszczególne parametry występujące zgodnie z prawami matematycznymi w każdym kierunku. Generalnie jest to praca z big data.
    W zastosowaniach lotniczych proces analizy matematycznej jest na ogół bardzo ważny, ponieważ niemożliwe jest stworzenie zestawu identycznych warunków odpowiadających dowolnemu miejscu w przestrzeni atmosfery, a tym bardziej w przestrzeni i w szybko zmieniających się procesach ruchu.
    1. 0
      7 marca 2017 13:28
      Gridasov, tutaj mówisz o „analizie matematycznej”. Czy studiowałeś w instytucie?
    2. +1
      7 marca 2017 15:07
      Jaki rodzaj analizy matematycznej miałeś na myśli - klasyczną czy nowoczesną. A potem zamknąłeś komentarz, ale zapomniałeś przedstawić się jako matematyk.
      1. +1
        7 marca 2017 18:44
        W ogóle zastanawiam się, czy ktoś rozumie problematykę tego, że nie da się analizować skomplikowanych procesów nowoczesnymi metodami matematycznymi.
        1. +7
          8 marca 2017 17:57
          Czy do napełnienia zbiornika paliwa porowatą gumą potrzebna jest analiza matematyczna?
          1. 0
            8 marca 2017 19:00
            Warto zauważyć, że w ramach oddziaływań o niskim potencjale rzeczywiście nie można zawracać sobie głowy wieloma pytaniami, a co za tym idzie analizą tych zmian, które mogą zajść, jednak w warunkach superszybko zmieniających się procesów termodynamicznych nie można bez skutecznych metod percepcji i analizy zdarzeń.
        2. 0
          9 marca 2017 09:49
          Cytat z gridasov
          W ogóle zastanawiam się, czy ktoś rozumie problematykę tego, że nie da się analizować skomplikowanych procesów nowoczesnymi metodami matematycznymi.

          ====
          No, może wytłumaczysz nam „sieroty i biednych”, czym różni się ta NOWOCZESNA analiza matematyczna od „klasycznej”, której nas uczono na uniwersytecie ????
    3. +1
      8 marca 2017 17:24
      Gridasov, zauważyłem jedną rzecz. Kiedy po przeczytaniu Twoich pouczających wykładów na temat „funkcji stałej wartości liczby”, rozsądnego moczu i „matematycznych technologii analizy”, pytam Cię o Twoje wykształcenie, nagle popadasz w niezwykłą skromność, nieśmiałość i zamyślenie. Dlaczego miałby? smutny
      1. 0
        8 marca 2017 18:53
        Nie da się wyjść poza skalę pewnych pytań, a raczej odpowiedzi, które będą szczere i wyczerpujące, bo masz prawo zadawać dowolne pytania, ale ja nie mogę odpowiedzieć w taki sposób, że przede wszystkim nie naruszać pewne wymagania dla siebie. Mam nadzieję, że to jasne. Co więcej, nie uwierzysz prawdzie, a udowodnienie jej z mojej strony oznacza po raz kolejny utratę wiary w swoje poglądy. Po prostu zaakceptuj wszystko takim, jakie jest.
        1. +1
          8 marca 2017 21:21
          Mam nadzieję, że to jasne.

          Nie, nie jest jasne. Dlaczego jakieś ograniczenia, jakieś skale? Czy masz co najmniej maturę? A może 8-latek? Po co udowadniać - znaczy nie wierzyć? Dlaczego „jeszcze raz nie wierzyć w ich poglądy”? Czy jesteś już przekonany? Stracona wiara? Więc dlaczego bronisz ich tutaj? Ogólnie nic nie jest jasne. asekurować
          1. 0
            8 marca 2017 22:37
            Niestety nie mogę odpowiedzieć na wszystkie Twoje pytania.
    4. 0
      9 marca 2017 09:46
      Cytat z gridasov
      Dlatego do matematycznej analizy takich procesów potrzebne są zupełnie inne technologie analizy matematycznej.

      ====
      Dlatego to powiedziałeś (tzn. napisałeś) ??? Co masz na myśli?? Że stworzenie takich materiałów jest obecnie NIEMOŻLIWE? Że procesy w nich zachodzące są NIEMOŻLIWE do opisania za pomocą PROSTYCH i DOSTĘPNYCH pojęć? Aby zademonstrować (wszystkim tutaj), o ile mądrzejszy jesteś od autora ???
  6. 0
    13 czerwca 2017 17:24
    natychmiast wrzucić wszystkie siły do ​​produkcji samoleczącej się wódki butelkowanej. najważniejszy kierunek rozwoju współczesnej nauki