"Netradicionalni materiali" je eno najpomembnejših področij tehnološkega razvoja v vojaški in vesoljski industriji. Materiali morajo narediti več kot le podporno konstrukcijo - morajo biti pametni materiali
Pametni materiali so poseben razred materialov, ki lahko delujejo kot aktuator in kot senzor ter zagotavljajo potrebne mehanske deformacije, povezane s spremembami temperature, električnega toka ali magnetnega polja. Ker so kompozitni materiali sestavljeni iz več materialov in je zaradi sodobnega tehnološkega napredka zdaj mogoče vključiti druge materiale (ali strukture) v proces zagotavljanja integrirane funkcionalnosti na področjih, kot so:
- Morfiranje, - samozdravljenje, - zaznavanje, - zaščita pred strelo in
- Shranjevanje energije.
V tem članku se bomo osredotočili na prva dva področja.
Materiali za preoblikovanje in strukture preoblikovanja
Morfirajoči materiali vključujejo tiste materiale, ki po vhodnih signalih spremenijo svoje geometrijske parametre in ki lahko obnovijo prvotno obliko, ko se zunanji signali ustavijo.
Ti materiali se zaradi reakcije v obliki spremembe oblike uporabljajo kot aktuatorji, lahko pa se uporabljajo tudi obratno, torej kot senzorji, pri katerih se zunanji vpliv na material spremeni v signal. Letalska in vesoljska uporaba teh materialov je raznolika: senzorji, aktuatorji, stikala v električnih instalacijah in napravah, letalska elektronika in povezave v hidravličnih sistemih. Prednosti so: izjemna zanesljivost, dolga življenjska doba, brez puščanja, nizki stroški namestitve in znatno zmanjšanje vzdrževanja. Med pogoni, izdelanimi iz materialov, ki se preoblikujejo in zlitin s spominom na obliko, so še posebej zanimivi aktuatorji za avtomatsko krmiljenje letalskih sistemov letalske elektronike in aktuatorji za zapiranje / odpiranje vodilnih blažilnikov v klimatskih sistemih v pilotski kabini.
Materiali, ki spremenijo obliko zaradi uporabe električnega polja, vključujejo piezoelektrične materiale (pojav polarizacije materialov s kristalno strukturo pod vplivom mehanskih napetosti (neposreden piezoelektrični učinek) in mehanske deformacije pod vplivom električnega polja (obratni piezoelektrični učinek)) in elektrostriktivnih materialov. Razlika je v odzivu na uporabljeno električno polje: piezoelektrični material se lahko podaljša ali skrajša, medtem ko se elektrostrikcijski material le podaljša, ne glede na smer uporabljenega polja. V primeru senzorjev se napetost, ki nastane zaradi mehanskih obremenitev, izmeri in obdela, da se pridobijo informacije o isti napetosti. Ti materiali z neposrednim piezoelektričnim učinkom se pogosto uporabljajo v senzorjih pospeška in obremenitve, akustičnih senzorjih. V vseh aktuatorjih se uporabljajo drugi materiali, ki temeljijo na povratnem piezoelektričnem učinku; pogosto se uporabljajo v optičnih sistemih za izvidniške satelite, saj lahko z nanometrsko natančnostjo prilagodijo položaj leč in ogledal. Omenjeni materiali so prav tako vključeni v preoblikovalne strukture, da spremenijo nekatere geometrijske lastnosti in tem strukturam dajo posebne dodatne lastnosti. Morph struktura (imenovana tudi pametna struktura ali aktivna struktura) je sposobna zaznati spremembe zunanjih pogojev zaradi delovanja senzorja / elektromehanskega pretvorniškega sistema, vgrajenega vanj. Na ta način (zaradi prisotnosti enega ali več mikroprocesorjev in močnostne elektronike) lahko pride do ustreznih sprememb v skladu s podatki, ki prihajajo iz senzorjev, kar omogoča, da se struktura prilagodi zunanjim spremembam. Tako aktivno spremljanje ne velja samo za zunanji vhodni signal (npr. Mehanski tlak ali sprememba oblike), ampak tudi za spremembe notranjih značilnosti (npr. Poškodbe ali okvare). Področje uporabe je precej široko in vključuje vesoljske sisteme, letala in helikopterje (nadzor vibracij, hrupa, spremembe oblike, porazdelitev obremenitev in aeroelastične stabilnosti), pomorske sisteme (ladje in podmornice) ter zaščitne tehnologije.
Ena izmed teženj zmanjševanja vibracij (vibracij), ki se pojavljajo v strukturnih sistemih, je zelo zanimiva. Posebni senzorji (sestavljeni iz večplastne piezoelektrične keramike) so nameščeni na najbolj obremenjenih mestih za zaznavanje vibracij. Po analizi signalov, ki jih povzročajo vibracije, mikroprocesor pošlje signal (sorazmeren analiziranemu signalu) na aktuator, ki se odzove z ustreznim gibanjem, ki lahko zavira vibracije. Urad ameriške vojske za uporabno letalsko tehnologijo in NASA sta preizkusila podobne aktivne sisteme, da bi zmanjšala vibracije nekaterih elementov helikopterja CH-47, pa tudi repnih letal lovca F-18. FDA je že začela z vključevanjem aktivnih materialov v lopatice rotorja za nadzor vibracij.
V običajnem glavnem rotorju rezila trpijo zaradi visokih ravni vibracij, ki jih povzročajo vrtenje in vsi povezani pojavi. Zaradi tega in za zmanjšanje vibracij in olajšanje nadzora obremenitev, ki delujejo na rezila, so bila preizkušena aktivna rezila z visoko upogibno zmogljivostjo. Pri posebni vrsti preskusa (imenovanem "vgrajeno vezje za zvijanje"), ko se napadni kot spremeni, se rezilo zvije po celotni dolžini zahvaljujoč sestavljenemu aktivnemu vlaknu AFC (elektrokeramična vlakna, vdelana v mehko polimerno matrico) v strukturo rezila. Aktivna vlakna so zložena v plasteh, eno plastjo nad drugo, na zgornjo in spodnjo površino rezila pod kotom 45 stopinj. Delo aktivnih vlaken ustvarja porazdeljeno napetost v rezilu, kar povzroči ustrezno upogibanje rezila, kar lahko uravnoteži nihanje nihanja. Za drug preskus ("aktiviranje diskretnih nihanj") je značilna široka uporaba piezoelektričnih mehanizmov (aktuatorjev) za nadzor vibracij: aktuatorji so nameščeni v strukturi rezila za nadzor delovanja nekaterih deflektorjev, ki se nahajajo vzdolž zadnjega roba. Tako pride do aeroelastične reakcije, ki lahko nevtralizira vibracije, ki jih povzroča propeler. Obe rešitvi sta bili ocenjeni na pravem helikopterju CH-47D v testu, imenovanem MiT Hower Test Sand.
Razvoj preoblikovalnih strukturnih elementov odpira nove perspektive pri načrtovanju konstrukcij z večjo kompleksnostjo, hkrati pa se njihova teža in stroški znatno zmanjšujejo. Izrazito zmanjšanje ravni vibracij pomeni: podaljšano življenjsko dobo konstrukcije, manj pregledov celovitosti konstrukcije, večjo donosnost končnih modelov, saj so konstrukcije izpostavljene manj vibracijam, večje udobje, izboljšane zmogljivosti letenja in nadzor hrupa v helikopterjih.
Po podatkih NASA se pričakuje, da bo v naslednjih 20 letih potreba po visokozmogljivih letalskih sistemih, ki bodo postali lažji in kompaktnejši, zahtevala obsežnejšo uporabo oblikovnih modelov.
Materiali za samozdravljenje
Samozdravilni materiali, ki spadajo v razred pametnih materialov, lahko samostojno popravijo poškodbe, ki jih povzročijo mehanske obremenitve ali zunanji vplivi. Pri razvoju teh novih materialov so bili naravni in biološki sistemi (na primer rastline, nekatere živali, človeška koža itd.) Uporabljeni kot vir navdiha (v resnici so se na začetku imenovali biotehnološki materiali). Danes lahko samozdravilne materiale najdemo v naprednih kompozitih, polimerih, kovinah, keramiki, protikorozijskih premazih in barvah. Poseben poudarek je na njihovi uporabi v vesoljskih aplikacijah (obsežne raziskave izvajata NASA in Evropska vesoljska agencija), za katere je značilen vakuum, velike temperaturne razlike, mehanske vibracije, kozmično sevanje, pa tudi zmanjšanje škode zaradi trkov z vesoljskimi naplavinami in mikrometeoriti. Poleg tega so materiali za samozdravljenje bistveni za letalsko in obrambno industrijo. Sodobni polimerni kompoziti, ki se uporabljajo v vesoljski in vojaški uporabi, so dovzetni za poškodbe, ki jih povzročijo mehanski, kemični, toplotni, sovražni požar ali kombinacija teh dejavnikov. Ker je poškodbe znotraj materialov težko opaziti in popraviti, bi bila idealna rešitev odstraniti škodo, ki je nastala na nano in mikro ravni, ter materialu povrniti prvotne lastnosti in stanje. Tehnologija temelji na sistemu, po katerem material vključuje mikrokapsule dveh različnih vrst, ena vsebuje samozdravilno komponento, druga pa določen katalizator. Če je material poškodovan, se mikrokapsule uničijo in njihova vsebina lahko reagira med seboj, zapolni poškodbo in obnovi celovitost materiala. Tako ti materiali močno prispevajo k varnosti in trajnosti naprednih kompozitov v sodobnih letalih, hkrati pa odpravljajo potrebo po dragem aktivnem spremljanju ali zunanjem popravilu in / ali zamenjavi. Kljub značilnostim teh materialov je treba izboljšati vzdržljivost materialov, ki jih uporablja letalska industrija, za to vlogo pa se predlagajo večplastne ogljikove nanocevke in epoksi sistemi. Ti materiali, odporni proti koroziji, povečujejo natezno trdnost in dušilne lastnosti kompozitov in ne spreminjajo odpornosti na toplotni udar. Zanimiv je tudi razvoj kompozitnega materiala s keramično matrico - sestavo matriksa, ki pretvori vsako molekulo kisika (prodrlo v material zaradi poškodb) v delce silicija in kisika z nizko viskoznostjo, ki lahko teče v poškodbe zaradi na kapilarni učinek in jih napolnite. NASA in Boeing eksperimentirata s samozdravljenimi razpokami v vesoljskih strukturah z uporabo polidimetilsiloksanske elastomerne matrice z vgrajenimi mikrokapsulami.
Materiali za samozdravljenje lahko popravijo škodo, tako da zaprejo vrzel okoli izsekanega predmeta. Očitno se takšne zmogljivosti preučujejo na ravni obrambe, tako za oklepna vozila in tanke, kot za sisteme osebne zaščite.
Materiali za samozdravljenje za vojaške namene zahtevajo natančno oceno spremenljivk, povezanih s hipotetično škodo. V tem primeru je udarna škoda odvisna od:
- kinetična energija krogle (masa in hitrost), - zasnove sistemov (zunanja geometrija, materiali, oklep) in
- analiza geometrije trkov (kot kota).
S tem v mislih DARPA in laboratoriji ameriške vojske eksperimentirajo z najnaprednejšimi materiali za samozdravljenje. Zlasti obnovitvene funkcije se lahko sprožijo s prodorom krogel, kjer balistični udar povzroči lokalno segrevanje materiala, kar omogoča samozdravljenje.
Zelo zanimive so študije in preizkusi samozdravilnega stekla, pri katerem se razpoke, ki jih povzroči mehansko delovanje, napolnijo s tekočino. Samozdravilno steklo se lahko uporablja pri izdelavi neprebojnih vetrobranskih stekel vojaških vozil, ki bi vojakom omogočila dobro vidljivost. Uporablja se lahko tudi na drugih področjih, letalstvu, računalniških zaslonih itd.
Eden od prihodnjih velikih izzivov je podaljšanje življenjske dobe naprednih materialov, ki se uporabljajo v strukturnih elementih in premazih. Preučujejo se naslednji materiali:
-samozdravilni materiali na osnovi grafena (dvodimenzionalni polprevodniški nanomateriali, sestavljeni iz ene plasti ogljikovih atomov), - napredne epoksidne smole, - materiali, izpostavljeni sončni svetlobi, - protikorozijske mikrokapsule za kovinske površine, - elastomeri, ki prenesejo udarce krogle, in
ogljikove nanocevke, ki se uporabljajo kot dodatna komponenta za izboljšanje učinkovitosti materiala.
Trenutno se precejšnje število materialov s temi lastnostmi preizkuša in eksperimentalno preiskuje.
Izhod
Inženirji so dolga leta pogosto predlagali idejno obetavne projekte, ki pa jih zaradi pomanjkanja ustreznih materialov za njihovo praktično izvedbo niso mogli izvesti. Danes je glavni cilj ustvariti lahke konstrukcije z izjemnimi mehanskimi lastnostmi. Sodobni napredek pri sodobnih materialih (pametni materiali in nanokompoziti) ima kljub vsej zapletenosti ključno vlogo, ko so značilnosti pogosto zelo ambiciozne in včasih celo protislovne. Trenutno se vse spreminja s kalejdoskopsko hitrostjo, za nov material, katerega proizvodnja se šele začenja, obstaja naslednji, na katerem izvajajo poskuse in preizkuse. Letalska in obrambna industrija lahko izkoristijo številne prednosti teh neverjetnih materialov.
