"Ei-perinteiset materiaalit" on yksi tärkeimmistä teknologian kehittämisen aloista sotilas- ja ilmailuteollisuudessa. Materiaalien on tehtävä muutakin kuin vain tukirakenne - niiden on oltava älykkäitä materiaaleja
Älykkäät materiaalit ovat erityinen materiaaliluokka, jolla on kyky toimia toimilaitteena ja anturina ja jotka tarjoavat tarvittavat mekaaniset muodonmuutokset, jotka liittyvät lämpötilan, sähkövirran tai magneettikentän muutoksiin. Koska komposiittimateriaalit koostuvat useammasta kuin yhdestä materiaalista ja nykyaikaisen tekniikan kehityksen vuoksi, on nyt mahdollista sisällyttää muita materiaaleja (tai rakenteita) integroidun toiminnallisuuden tarjoamiseen esimerkiksi seuraavilla alueilla:
- Morfiointi, - itsestään parantava, - havainto, - salamasuojaus ja
- Energia varasto.
Keskitymme kahteen ensimmäiseen osaan tässä artikkelissa.
Materiaalien ja rakenteiden muuntaminen
Morfomateriaaleihin kuuluvat ne materiaalit, jotka tulosignaalien jälkeen muuttavat geometrisia parametrejaan ja jotka pystyvät palauttamaan alkuperäisen muodonsa, kun ulkoiset signaalit pysähtyvät.
Näitä materiaaleja, koska ne reagoivat muodonmuutoksen muodossa, käytetään toimilaitteina, mutta niitä voidaan käyttää myös päinvastaisesti, eli antureina, joissa materiaaliin kohdistuva ulkoinen vaikutus muuttuu signaali. Näiden materiaalien ilmailu- ja avaruussovellukset ovat erilaisia: anturit, toimilaitteet, sähkölaitteiden ja -laitteiden kytkimet, ilmailutekniikka ja liitännät hydraulijärjestelmissä. Hyödyt ovat: poikkeuksellinen luotettavuus, pitkä käyttöikä, ei vuotoja, alhaiset asennuskustannukset ja merkittävä huoltovähennys. Erityisesti morfisoivista materiaaleista ja muotomuodoseoksista valmistetuista toimilaitteista ovat erityisen kiinnostavia toimilaitteet ilmailutekniikan jäähdytysjärjestelmien automaattista ohjausta varten ja toimilaitteet ohjaus- peltien sulkemiseen / avaamiseen ohjaamon ilmastointijärjestelmissä.
Materiaaleihin, jotka muuttavat muotoaan sähkökentän käytön seurauksena, kuuluvat pietsosähköiset materiaalit (kiteisen materiaalin polarisaation ilmiö mekaanisten rasitusten vaikutuksesta (suora pietsosähköinen vaikutus) ja mekaaniset muodonmuutokset sähkökentän vaikutuksesta (käänteinen pietsosähköinen vaikutus)) ja sähkösuodattavat materiaalit. Ero on reaktiossa sovelletulle sähkökentälle: pietsosähköinen materiaali voi pidentää tai lyhentää, kun taas sähkösuodattava materiaali vain pidentyy käytetyn kentän suunnasta riippumatta. Anturien tapauksessa mekaanisen rasituksen aiheuttama jännite mitataan ja käsitellään, jotta saadaan tietoa samasta jännityksestä. Näitä materiaaleja, joilla on suora pietsosähköinen vaikutus, käytetään laajalti kiihtyvyys- ja kuormitusantureissa, akustisissa antureissa. Muita käänteiseen pietsosähköiseen vaikutukseen perustuvia materiaaleja käytetään kaikissa toimilaitteissa; niitä käytetään usein tiedustelusatelliittien optisissa järjestelmissä, koska ne pystyvät säätämään linssien ja peilien asentoa nanometrin tarkkuudella. Edellä mainitut materiaalit sisältyvät myös morfisoiviin rakenteisiin tiettyjen geometristen ominaisuuksien muuttamiseksi ja näiden rakenteiden erityisominaisuuksien lisäämiseksi. Morfinen rakenne (jota kutsutaan myös älykkääksi rakenteeksi tai aktiiviseksi rakenteeksi) pystyy havaitsemaan ulkoisten olosuhteiden muutokset johtuen siihen rakennetun anturin / sähkömekaanisen anturijärjestelmän toiminnasta. Tällä tavalla (yhden tai useamman mikroprosessorin ja tehoelektroniikan läsnäolon vuoksi) voidaan indusoida asianmukaisia muutoksia antureista tulevien tietojen mukaisesti, jolloin rakenne voi sopeutua ulkoisiin muutoksiin. Tällaista aktiivista valvontaa voidaan soveltaa paitsi ulkoiseen tulosignaaliin (esim. Mekaaninen paine tai muodon muutos) myös sisäisten ominaisuuksien muutoksiin (esim. Vaurio tai vika). Soveltamisala on melko laaja ja sisältää avaruusjärjestelmät, lentokoneet ja helikopterit (tärinän, melun, muodonmuutoksen, jännityksen jakautumisen ja aeroelastisen vakauden hallinta), merijärjestelmät (alukset ja sukellusveneet) sekä suojaustekniikat.
Yksi rakenteellisissa järjestelmissä esiintyvän tärinän (tärinän) vähentämisen taipumuksista on erittäin mielenkiintoinen. Erityisanturit (jotka koostuvat monikerroksisesta pietsosähköisestä keramiikasta) on sijoitettu raskaimpiin pisteisiin tärinän havaitsemiseksi. Värähtelyn aiheuttamien signaalien analysoinnin jälkeen mikroprosessori lähettää signaalin (suhteessa analysoituun signaaliin) toimilaitteelle, joka reagoi sopivalla liikkeellä, joka pystyy estämään tärinää. Yhdysvaltain armeijan sovelletun ilmailutekniikan toimisto ja NASA ovat testanneet samanlaisia aktiivisia järjestelmiä vähentääkseen joidenkin CH-47-helikopterin elementtien ja F-18-hävittäjän takakoneiden tärinää. FDA on jo aloittanut aktiivisten materiaalien integroinnin roottorin siipiin tärinän hallitsemiseksi.
Perinteisessä pääroottorissa terät kärsivät suuresta tärinästä, joka johtuu pyörimisestä ja kaikista siihen liittyvistä ilmiöistä. Tästä syystä ja tärinän vähentämiseksi ja teriin kohdistuvien kuormien hallinnan helpottamiseksi testattiin aktiiviset terät, joilla on suuri taivutuskapasiteetti. Erikoistutkimuksessa (jota kutsutaan "upotetuksi kiertopiiriksi"), kun iskukulma muuttuu, terä kierretään koko pituudeltaan aktiivisen kuituyhdistelmän AFC (pehmeä polymeerimatriisi upotettu sähkökeraaminen kuitu) ansiosta terän rakenteeseen. Aktiiviset kuidut pinotaan kerroksittain, yksi kerros toisensa yläpuolelle, terän ylä- ja alapinnoille 45 asteen kulmassa. Aktiivisten kuitujen työ aiheuttaa terään hajautetun jännityksen, joka aiheuttaa vastaavan taivutuksen terän läpi, mikä voi tasapainottaa heilurivärähtelyä. Toiselle testille ("erillisten heilujen aktivointi") on ominaista pietsosähköisten mekanismien (toimilaitteiden) laaja käyttö värähtelyn hallintaan: toimilaitteet on sijoitettu terän rakenteeseen ohjaamaan joidenkin takareunassa sijaitsevien ohjaimien toimintaa. Siten tapahtuu aeroelastinen reaktio, joka voi neutraloida potkurin tuottaman tärinän. Molemmat ratkaisut arvioitiin todellisella CH-47D-helikopterilla testissä nimeltä MiT Hower Test Sand.
Muuttuvien rakenteellisten elementtien kehittäminen avaa uusia näkökulmia monimutkaisempien rakenteiden suunnitteluun, mutta niiden paino ja kustannukset pienenevät merkittävästi. Merkittävä tärinätason lasku tarkoittaa: pidentynyttä rakenteen käyttöikää, vähemmän rakenteiden eheystarkistuksia, lopullisten rakenteiden kannattavuuden paranemista, koska rakenteet altistuvat vähemmän tärinälle, lisäävät mukavuutta, parantavat lentotehokkuutta ja melunhallintaa helikoptereissa.
NASAn mukaan odotetaan, että seuraavien 20 vuoden aikana tarve kevyemmille ja kompaktimmille suorituskykyisille lentokonejärjestelmille edellyttää laajempaa muotoilumallien käyttöä.
Itse parantavia materiaaleja
Älymateriaalien luokkaan kuuluvat itsekorjautuvat materiaalit pystyvät itsenäisesti korjaamaan mekaanisen rasituksen tai ulkoisten vaikutusten aiheuttamat vauriot. Näitä uusia materiaaleja kehitettäessä inspiraation lähteenä käytettiin luonnollisia ja biologisia järjestelmiä (esimerkiksi kasveja, joitain eläimiä, ihmisen ihoa jne.) (Itse asiassa niitä kutsuttiin aluksi bioteknisiksi materiaaleiksi). Nykyään itsestään parantavia materiaaleja löytyy kehittyneistä komposiiteista, polymeereistä, metalleista, keramiikasta, korroosionestopinnoitteista ja maaleista. Erityisesti painotetaan niiden käyttöä avaruussovelluksissa (NASA ja Euroopan avaruusjärjestö tekevät laajamittaista tutkimusta), joille on ominaista tyhjiö, suuret lämpötilaerot, mekaaniset tärinät, kosminen säteily sekä vahinkojen vähentäminen aiheuttamat törmäykset avaruusromun ja mikrometeoriittien kanssa. Lisäksi itsekorjautuvat materiaalit ovat välttämättömiä ilmailu- ja puolustusteollisuudelle. Ilmailu- ja sotilaskäyttöön käytetyt nykyaikaiset polymeerikomposiitit ovat alttiita mekaanisten, kemiallisten, lämpö-, vihollisen tai näiden tekijöiden yhdistelmän aiheuttamille vaurioille. Koska materiaalien sisällä olevia vaurioita on vaikea havaita ja korjata, ihanteellinen ratkaisu olisi poistaa nano- ja mikrotason vauriot ja palauttaa materiaali alkuperäisiin ominaisuuksiinsa ja kuntoonsa. Tekniikka perustuu järjestelmään, jonka mukaan materiaali sisältää kahdenlaisia mikrokapseleita, joista toinen sisältää itsekorjautuvan komponentin ja toinen tietyn katalyytin. Jos materiaali on vaurioitunut, mikrokapselit tuhoutuvat ja niiden sisältö voi reagoida keskenään, täyttää vauriot ja palauttaa materiaalin eheyden. Siten nämä materiaalit edistävät suuresti nykyaikaisten lentokoneiden edistyneiden komposiittien turvallisuutta ja kestävyyttä poistamatta samalla kalliiden aktiivisten valvonta- tai ulkoisten korjaus- ja / tai vaihtotarpeiden tarvetta. Näiden materiaalien ominaisuuksista huolimatta ilmailuteollisuuden käyttämien materiaalien huollettavuutta on parannettava, ja tähän tehtävään ehdotetaan monikerroksisia hiilinanoputkia ja epoksijärjestelmiä. Nämä korroosionkestävät materiaalit lisäävät komposiittien vetolujuutta ja vaimennusominaisuuksia eivätkä muuta lämpöiskun kestävyyttä. On myös mielenkiintoista kehittää komposiittimateriaalia, jossa on keraaminen matriisi - matriisikoostumus, joka muuttaa jokaisen (vaurion seurauksena materiaaliin tunkeutuneen) happimolekyylin pienen viskositeetin omaavaksi pii -happi -hiukkaseksi, joka voi virrata kapillaarivaikutukseen ja täytä ne. NASA ja Boeing kokeilevat itsekorjautuvia halkeamia ilmailu- ja avaruusrakenteissa käyttämällä polydimetyylisiloksaanielastomeerimatriisia ja upotettuja mikrokapseleita.
Itsekorjautuvat materiaalit kykenevät korjaamaan vauriot sulkemalla aukon rei'itetyn esineen ympärille. On selvää, että tällaisia ominaisuuksia tutkitaan puolustustasolla sekä panssaroitujen ajoneuvojen ja säiliöiden että henkilökohtaisten suojajärjestelmien osalta.
Itsekorjautuvat materiaalit sotilaskäyttöön vaativat hypoteettisiin vahinkoihin liittyvien muuttujien huolellisen arvioinnin. Tässä tapauksessa iskuvahinko riippuu:
- luodista johtuva liike -energia (massa ja nopeus), - järjestelmärakenteet (ulkoinen geometria, materiaalit, panssari) ja
- törmäysgeometria -analyysi (kohtauskulma).
Tässä mielessä DARPA ja Yhdysvaltain armeijan laboratoriot kokeilevat kehittyneimpiä itsekorjaavia materiaaleja. Erityisesti korjaavat toiminnot voidaan aloittaa luodin tunkeutumisella, jossa ballistinen isku aiheuttaa materiaalin paikallista kuumenemista, mikä tekee mahdolliseksi itsekorjautumisen.
Itsehoituvan lasin tutkimukset ja testit ovat erittäin mielenkiintoisia, joissa mekaanisen toiminnan aiheuttamat halkeamat täytetään nesteellä. Itsekorjautuvaa lasia voidaan käyttää armeija-ajoneuvojen luodinkestävien tuulilasien valmistuksessa, jolloin sotilaat voivat säilyttää hyvän näkyvyyden. Se voi myös löytää sovelluksia muilla aloilla, ilmailussa, tietokoneen näytöissä jne.
Yksi tulevista suurista haasteista on pidentää rakenteellisissa elementeissä ja pinnoitteissa käytettyjen kehittyneiden materiaalien käyttöikää. Seuraavia materiaaleja tutkitaan:
-itsestään parantavat materiaalit, jotka perustuvat grafeeniin (kaksiulotteinen puolijohdemanomateriaali, joka koostuu yhdestä hiiliatomikerroksesta), - kehittyneet epoksihartsit, - auringonvalolle alttiit materiaalit, - korroosionestomikrokapseleita metallipinnoille, - elastomeerit, jotka kestävät luodin iskuja, ja
hiilinanoputkia, joita käytetään lisäkomponenttina materiaalin suorituskyvyn parantamiseksi.
Merkittävä määrä materiaaleja, joilla on nämä ominaisuudet, testataan ja tutkitaan kokeellisesti.
Lähtö
Monien vuosien ajan insinöörit ehdottivat usein käsitteellisesti lupaavia projekteja, mutta eivät voineet toteuttaa niitä, koska niiden käytännön toteuttamiseen ei ollut saatavilla sopivia materiaaleja. Nykyään päätavoitteena on luoda kevyitä rakenteita, joilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet. Nykyaikainen edistys nykyaikaisissa materiaaleissa (älykkäät materiaalit ja nanokomposiitit) on avainasemassa kaikesta monimutkaisuudesta huolimatta, kun ominaisuudet ovat usein erittäin kunnianhimoisia ja joskus jopa ristiriitaisia. Tällä hetkellä kaikki muuttuu kaleidoskooppisella nopeudella, uutta materiaalia varten, jonka tuotanto on vasta alkamassa, on seuraava, jossa he suorittavat kokeita ja testejä. Ilmailu- ja puolustusteollisuus voi saada monia etuja näistä hämmästyttävistä materiaaleista.