„Netradicinės medžiagos“yra viena iš svarbiausių technologijų plėtros sričių karinėje ir kosmoso pramonėje. Medžiagos turi atlikti ne tik atraminę konstrukciją - jos turi būti protingos medžiagos
Išmaniosios medžiagos yra speciali medžiagų klasė, galinti veikti kaip pavara ir kaip jutiklis, užtikrinanti būtinas mechanines deformacijas, susijusias su temperatūros, elektros srovės ar magnetinio lauko pokyčiais. Kadangi sudėtinės medžiagos yra sudarytos iš daugiau nei vienos medžiagos ir dėl šiuolaikinės technologinės pažangos dabar į integruoto funkcionalumo užtikrinimo procesą galima įtraukti ir kitų medžiagų (ar konstrukcijų) tokiose srityse kaip:
- Morfologija, - Savaime išgijantis, - Suvokimas, - Apsauga nuo žaibo ir
- Energijos kaupimas.
Šiame straipsnyje mes sutelksime dėmesį į dvi pirmąsias sritis.
Morfologinės medžiagos ir konstrukcijos
Morfinės medžiagos apima tas medžiagas, kurios, vadovaudamosi įvesties signalais, keičia savo geometrinius parametrus ir gali atkurti pradinę formą, kai išoriniai signalai sustoja.
Šios medžiagos dėl savo reakcijos pasikeitusios formos yra naudojamos kaip pavaros, tačiau jos taip pat gali būti naudojamos priešingai, tai yra, kaip jutikliai, kuriuose medžiagai taikoma išorinė įtaka paverčiama signalą. Šių medžiagų panaudojimas aviacijos ir kosmoso srityse yra įvairus: jutikliai, pavaros, jungikliai elektros instaliacijose ir aparatuose, avionika ir jungtys hidraulinėse sistemose. Privalumai: išskirtinis patikimumas, ilgas tarnavimo laikas, nuotėkio nebuvimas, mažos montavimo išlaidos ir žymiai sumažinta priežiūra. Visų pirma tarp pavarų, pagamintų iš morfologinių medžiagų ir formos atminties lydinių, ypač svarbios yra pavaros, skirtos automatiškai valdyti avionikos aušinimo sistemas, ir pavaros, skirtos uždaryti / atidaryti kreipiamąsias sklendes kabinos oro kondicionavimo sistemose.
Medžiagos, kurios keičia formą dėl elektrinio lauko poveikio, apima pjezoelektrines medžiagas (kristalinės struktūros medžiagų poliarizacijos reiškinys veikiant mechaniniams įtempiams (tiesioginis pjezoelektrinis efektas) ir mechaninės deformacijos veikiant elektriniam laukui (atvirkštinis pjezoelektrinis efektas)) ir elektrostrikcinės medžiagos. Skirtumas slypi reakcijoje į taikomą elektrinį lauką: pjezoelektrinė medžiaga gali pailgėti arba sutrumpėti, o elektrostrikcinė medžiaga tik ilgėja, nepriklausomai nuo taikomo lauko krypties. Jutiklių atveju įtampa, kurią sukuria mechaninis įtempis, yra matuojama ir apdorojama siekiant gauti informacijos apie tą patį įtempį. Šios medžiagos, turinčios tiesioginį pjezoelektrinį efektą, plačiai naudojamos pagreičio ir apkrovos jutikliuose, akustiniuose jutikliuose. Visose pavarose naudojamos kitos medžiagos, pagrįstos atvirkštiniu pjezoelektriniu efektu; jie dažnai naudojami žvalgybinių palydovų optinėse sistemose, nes jie gali nanometrų tikslumu reguliuoti lęšių ir veidrodžių padėtį. Minėtos medžiagos taip pat įtraukiamos į morfines struktūras, siekiant pakeisti tam tikras geometrines charakteristikas ir suteikti šioms konstrukcijoms ypatingų papildomų savybių. Morfinė struktūra (dar vadinama išmanioji struktūra arba aktyvi struktūra) gali jausti išorinių sąlygų pokyčius dėl į ją įmontuotos jutiklio / elektromechaninės keitiklių sistemos veikimo. Tokiu būdu (dėl vieno ar kelių mikroprocesorių ir galios elektronikos) gali būti sukelti atitinkami pokyčiai, atsižvelgiant į duomenis, gaunamus iš jutiklių, leidžiant konstrukcijai prisitaikyti prie išorinių pokyčių. Toks aktyvus stebėjimas taikomas ne tik išoriniam įvesties signalui (pvz., Mechaniniam slėgiui ar formos pasikeitimui), bet ir vidinių charakteristikų pokyčiams (pvz., Pažeidimams ar gedimams). Taikymo sritis yra gana plati ir apima kosmoso sistemas, orlaivius ir sraigtasparnius (vibracijos, triukšmo, formos pasikeitimo, įtempių pasiskirstymo ir aeroelastinio stabilumo valdymas), jūrų sistemas (laivus ir povandeninius laivus), taip pat apsaugos technologijas.
Viena iš tendencijų mažinti vibraciją (vibracijas), kuri atsiranda struktūrinėse sistemose, yra labai įdomi. Specialūs jutikliai (sudaryti iš daugiasluoksnės pjezoelektrinės keramikos) dedami labiausiai įtemptose vietose, kad būtų galima aptikti vibraciją. Išanalizavęs vibracijos sukeltus signalus, mikroprocesorius siunčia signalą (proporcingą analizuojamam signalui) į pavarą, kuri reaguoja atitinkamu judesiu, galinčiu slopinti vibraciją. JAV kariuomenės taikomosios aviacijos technologijų biuras ir NASA išbandė panašias veikiančias sistemas, kad sumažintų kai kurių sraigtasparnio CH-47 elementų vibracijas, taip pat naikintuvo F-18 galines plokštumas. FDA jau pradėjo integruoti aktyvias medžiagas į rotoriaus mentes, kad suvaldytų vibraciją.
Įprasto pagrindinio rotoriaus ašmenys kenčia nuo didelės vibracijos, kurią sukelia sukimasis ir visi susiję reiškiniai. Dėl šios priežasties ir siekiant sumažinti vibraciją bei palengvinti ašmenis veikiančių apkrovų valdymą, buvo išbandyti aktyvūs peiliai, turintys didelę lenkimo galią. Atliekant specialų bandymą (vadinamą „įterpta sukimo grandine“), kai pasikeičia atakos kampas, ašmenys susukami išilgai viso ilgio dėl aktyvaus pluošto kompozito AFC (elektro keramikos pluošto, įdėto į minkštą polimero matricą). į ašmenų struktūrą. Aktyvūs pluoštai yra sukrauti sluoksniais, vienas sluoksnis virš kito, ant viršutinio ir apatinio ašmenų paviršių 45 laipsnių kampu. Veikiant aktyviems pluoštams, ašmenys sukuria paskirstytą įtampą, o tai sukelia atitinkamą lenkimą visame ašmenyje, kuris gali subalansuoti svyravimo vibraciją. Kitas bandymas („diskrečių svyravimų įjungimas“) būdingas plačiai naudojamam pjezoelektriniams mechanizmams (pavaroms) vibracijos kontrolei: pavaros dedamos į ašmenų konstrukciją, kad būtų galima valdyti kai kurių išilgai galinio krašto esančių deflektorių veikimą. Taigi įvyksta aeroelastinė reakcija, kuri gali neutralizuoti sraigto sukuriamą vibraciją. Abu sprendimai buvo įvertinti naudojant tikrą CH-47D sraigtasparnį bandyme, pavadintame „MiT Hower Test Sand“.
Morfinių konstrukcinių elementų kūrimas atveria naujas perspektyvas kuriant sudėtingesnes konstrukcijas, o jų svoris ir išlaidos yra žymiai sumažintos. Žymus vibracijos lygio sumažėjimas reiškia: ilgesnį konstrukcijos tarnavimo laiką, mažiau konstrukcijos vientisumo patikrinimų, didesnį galutinio dizaino pelningumą, nes konstrukcijos yra mažiau vibruojamos, padidėja komfortas, pagerėja skrydžio charakteristikos ir triukšmo kontrolė sraigtasparniuose.
NASA teigimu, tikimasi, kad per ateinančius 20 metų, norint sukurti lengvesnes ir kompaktiškesnes didelio našumo orlaivių sistemas, reikės plačiau naudoti morfologines konstrukcijas.
Savaime gydančios medžiagos
Savaime išgydomos medžiagos, priklausančios išmaniųjų medžiagų klasei, gali savarankiškai atitaisyti žalą, atsiradusią dėl mechaninio įtempio ar išorinio poveikio. Kuriant šias naujas medžiagas, įkvėpimo šaltiniu buvo naudojamos natūralios ir biologinės sistemos (pavyzdžiui, augalai, kai kurie gyvūnai, žmogaus oda ir kt.) (Iš tikrųjų pradžioje jos buvo vadinamos biotechnologinėmis medžiagomis). Šiandien savaime gydančių medžiagų galima rasti pažangiuose kompozituose, polimeruose, metaluose, keramikoje, antikorozinėse dangose ir dažuose. Ypatingas dėmesys skiriamas jų pritaikymui kosminėse programose (didelio masto tyrimus atlieka NASA ir Europos kosmoso agentūra), kurioms būdingas vakuumas, dideli temperatūrų skirtumai, mechaninės vibracijos, kosminė spinduliuotė, taip pat siekiant sumažinti žalą sukeltas susidūrimų su kosminėmis šiukšlėmis ir mikrometeoritais. Be to, savigydos medžiagos yra būtinos aviacijos ir gynybos pramonei. Šiuolaikiniai polimeriniai kompozitai, naudojami kosmoso ir kariniuose tiksluose, yra pažeidžiami dėl mechaninės, cheminės, terminės, priešo ugnies ar šių veiksnių derinio. Kadangi medžiagų pažeidimus sunku pastebėti ir ištaisyti, idealus sprendimas būtų pašalinti nano ir mikro lygiu padarytą žalą ir atkurti pradines medžiagos savybes. Ši technologija pagrįsta sistema, pagal kurią medžiagoje yra dviejų skirtingų tipų mikrokapsulės, kurių vienoje yra savaime išgydantis komponentas, o kitoje-tam tikras katalizatorius. Jei medžiaga yra pažeista, mikrokapsulės sunaikinamos, o jų turinys gali reaguoti tarpusavyje, užpildyti pažeidimą ir atkurti medžiagos vientisumą. Taigi šios medžiagos labai prisideda prie šiuolaikinių orlaivių pažangių kompozitų saugumo ir ilgaamžiškumo, tuo pačiu pašalinant brangaus aktyvaus stebėjimo ar išorinio remonto ir (arba) pakeitimo poreikį. Nepaisant šių medžiagų savybių, reikia pagerinti aviacijos ir kosmoso pramonės naudojamų medžiagų priežiūrą, todėl šiam vaidmeniui siūlomi daugiasluoksniai anglies nanovamzdeliai ir epoksidinės sistemos. Šios korozijai atsparios medžiagos padidina kompozitų tempimo stiprumą ir slopinimo savybes ir nekeičia atsparumo šiluminiams smūgiams. Taip pat įdomu sukurti sudėtinę medžiagą su keramine matrica - matricos kompoziciją, kuri paverčia kiekvieną deguonies molekulę (patekusią į medžiagą dėl žalos) į silicio -deguonies dalelę, kurios klampumas yra mažas, o tai gali sukelti pažeidimus iki kapiliarų efekto ir užpildykite juos. NASA ir „Boeing“eksperimentuoja su savaime gijiančiais įtrūkimais aviacijos ir kosmoso struktūrose, naudodami polidimetilsiloksano elastomero matricą su įterptomis mikrokapsulėmis.
Savaime išgydomos medžiagos gali atitaisyti žalą, uždarydamos tarpą aplink perforuotą objektą. Akivaizdu, kad tokie pajėgumai yra tiriami gynybos lygmeniu - tiek šarvuočių, tiek tankų, tiek asmeninės apsaugos sistemų.
Savarankiškai gydomoms medžiagoms karinėms reikmėms reikia kruopščiai įvertinti kintamuosius, susijusius su hipotetine žala. Šiuo atveju smūgio žala priklauso nuo:
- kinetinė energija dėl kulkos (masė ir greitis), - sistemos dizainas (išorinė geometrija, medžiagos, šarvai) ir
- susidūrimo geometrijos analizė (susitikimo kampas).
Turėdami tai omenyje, DARPA ir JAV armijos laboratorijos eksperimentuoja su pažangiausiomis savigydos medžiagomis. Visų pirma, atkuriamąsias funkcijas galima pradėti skverbiantis kulkoms, kai balistinis smūgis sukelia lokalų medžiagos įkaitimą, todėl galima išgydyti.
Labai įdomūs savaiminio gijimo stiklo tyrimai ir bandymai, kuriuose dėl tam tikro mechaninio poveikio atsiradę įtrūkimai užpildomi skysčiu. Savigydantis stiklas gali būti naudojamas gaminant neperšaunamus karinių transporto priemonių priekinius stiklus, kurie leistų kariams išlaikyti gerą matomumą. Jis taip pat gali būti pritaikytas kitose srityse, aviacijoje, kompiuterių ekranuose ir kt.
Vienas iš svarbiausių ateities iššūkių yra išplėsti pažangių medžiagų, naudojamų konstrukciniams elementams ir dangoms, tarnavimo laiką. Tiriama ši medžiaga:
-savaime gydančios medžiagos, kurių pagrindą sudaro grafenas (dvimatė puslaidininkinė nanomedžiaga, sudaryta iš vieno anglies atomų sluoksnio), - pažangios epoksidinės dervos, - medžiagos, veikiamos saulės spindulių, - antikorozinės mikrokapsulės metaliniams paviršiams, - elastomerai, galintys atlaikyti kulkų smūgį, ir
anglies nanovamzdeliai, naudojami kaip papildomas komponentas, siekiant pagerinti medžiagos veikimą.
Nemažai medžiagų, turinčių šias charakteristikas, šiuo metu yra bandomos ir tiriamos eksperimentiškai.
Išvestis
Ilgus metus inžinieriai dažnai siūlydavo konceptualiai perspektyvius projektus, tačiau negalėjo jų įgyvendinti, nes nebuvo prieinamos tinkamos medžiagos jų praktiniam įgyvendinimui. Šiandien pagrindinis tikslas yra sukurti lengvas konstrukcijas, pasižyminčias išskirtinėmis mechaninėmis savybėmis. Šiuolaikinė pažanga šiuolaikinėse medžiagose (išmaniosiose medžiagose ir nanokompozituose) atlieka svarbų vaidmenį, nepaisant viso sudėtingumo, kai charakteristikos dažnai yra labai ambicingos ir kartais netgi prieštaringos. Šiuo metu viskas keičiasi kaleidoskopiniu greičiu, naujai medžiagai, kurios gamyba tik prasideda, yra kita, su kuria jie atlieka eksperimentus ir bandymus. Aviacijos ir gynybos pramonė gali gauti daug naudos iš šių nuostabių medžiagų.
