Pārveidojoši un pašdziedinoši materiāli

Satura rādītājs:

Pārveidojoši un pašdziedinoši materiāli
Pārveidojoši un pašdziedinoši materiāli

Video: Pārveidojoši un pašdziedinoši materiāli

Video: Pārveidojoši un pašdziedinoši materiāli
Video: Сергей Шойгу поет "Как здорово!" 2024, Marts
Anonim
Attēls
Attēls

"Netradicionālie materiāli" ir viena no svarīgākajām tehnoloģiju attīstības jomām militārajā un kosmosa rūpniecībā. Materiāliem ir jādara ne tikai kā atbalsta struktūra - tiem jābūt gudriem materiāliem

Viedie materiāli ir īpaša materiālu klase, kas spēj darboties kā izpildmehānisms un kā sensors, nodrošinot nepieciešamās mehāniskās deformācijas, kas saistītas ar temperatūras, elektriskās strāvas vai magnētiskā lauka izmaiņām. Tā kā kompozītmateriāli sastāv no vairāk nekā viena materiāla un mūsdienu tehnoloģiskā progresa dēļ, tagad integrētās funkcionalitātes nodrošināšanas procesā ir iespējams iekļaut citus materiālus (vai struktūras), piemēram:

- Morfēšana, - pašdziedināšanās, - uztvere, - zibensaizsardzība, un

- Enerģijas uzglabāšana.

Šajā rakstā mēs pievērsīsimies pirmajām divām jomām.

Pārveidojošie materiāli un struktūras

Pārveidojošie materiāli ietver tos materiālus, kas pēc ieejas signāliem maina savus ģeometriskos parametrus un kas spēj atjaunot sākotnējo formu, kad ārējie signāli apstājas.

Šie materiāli, ņemot vērā to reakciju formas maiņas veidā, tiek izmantoti kā izpildmehānismi, taču tos var izmantot arī pretēji, tas ir, kā sensorus, kuros materiālam pielietotā ārējā ietekme tiek pārveidota par signāls. Šo materiālu lietojumi kosmosā ir dažādi: sensori, izpildmehānismi, slēdži elektroiekārtās un aparātos, avionika un savienojumi hidrauliskajās sistēmās. Priekšrocības ir: izcila uzticamība, ilgs kalpošanas laiks, bez noplūdēm, zemas uzstādīšanas izmaksas un ievērojams apkopes samazinājums. Jo īpaši no izpildmehānismiem, kas izgatavoti no morfējošiem materiāliem un formas atmiņas sakausējumiem, īpašu interesi rada izpildmehānismi avionikas dzesēšanas sistēmu automātiskai vadīšanai un izpildmehānismi vadošo aizbīdņu aizvēršanai / atvēršanai kabīnes gaisa kondicionēšanas sistēmās.

Materiāli, kas elektriskā lauka pielietošanas rezultātā maina formu, ietver pjezoelektriskos materiālus (materiālu polarizācijas parādība ar kristālisku struktūru mehānisku spriegumu ietekmē (tiešs pjezoelektriskais efekts) un mehāniskās deformācijas elektriskā lauka ietekmē (reverso pjezoelektrisko efektu)) un elektrostrikcionējošos materiālus. Atšķirība ir reakcijā uz pielietoto elektrisko lauku: pjezoelektriskais materiāls var pagarināties vai saīsināties, savukārt elektrostrikcionējošais materiāls tikai pagarinās neatkarīgi no pielietotā lauka virziena. Sensoru gadījumā tiek mērīts un apstrādāts spriegums, ko rada mehāniskais spriegums, lai iegūtu informāciju par to pašu spriegumu. Šie materiāli ar tiešu pjezoelektrisko efektu tiek plaši izmantoti paātrinājuma un slodzes sensoros, akustiskajos sensoros. Visos izpildmehānismos tiek izmantoti citi materiāli, kuru pamatā ir reversais pjezoelektriskais efekts; tos bieži izmanto izlūkošanas satelītu optiskajās sistēmās, jo tie spēj ar nanometru precizitāti pielāgot lēcu un spoguļu stāvokli. Iepriekš minētie materiāli ir iekļauti arī pārveidojošajās konstrukcijās, lai mainītu noteiktas ģeometriskās īpašības un piešķirtu šīm konstrukcijām īpašas papildu īpašības. Morfiskā struktūra (saukta arī par viedo struktūru vai aktīvo struktūru) spēj uztvert izmaiņas ārējos apstākļos, pateicoties tajā iebūvētās sensora / elektromehāniskās devēju sistēmas darbībai. Šādā veidā (viena vai vairāku mikroprocesoru un jaudas elektronikas klātbūtnes dēļ) var izraisīt atbilstošas izmaiņas saskaņā ar datiem, kas nāk no sensoriem, ļaujot struktūrai pielāgoties ārējām izmaiņām. Šāda aktīva uzraudzība ir attiecināma ne tikai uz ārēju ieejas signālu (piemēram, mehānisku spiedienu vai formas maiņu), bet arī uz iekšējo raksturlielumu izmaiņām (piemēram, bojājumi vai atteice). Piemērošanas joma ir diezgan plaša, un tajā ietilpst kosmosa sistēmas, lidmašīnas un helikopteri (vibrācijas, trokšņa, formas maiņas, stresa sadalījuma un aeroelastīgās stabilitātes kontrole), jūras sistēmas (kuģi un zemūdenes), kā arī aizsardzības tehnoloģijas.

Viena no tendencēm samazināt vibrācijas (vibrācijas), kas rodas strukturālajās sistēmās, ir ļoti interesanta. Īpaši sensori (kas sastāv no daudzslāņu pjezoelektriskās keramikas) ir novietoti visvairāk stresa vietās, lai noteiktu vibrācijas. Pēc vibrācijas izraisīto signālu analīzes mikroprocesors nosūta pievadam signālu (proporcionāls analizētajam signālam), kas reaģē ar atbilstošu kustību, kas spēj kavēt vibrāciju. ASV armijas Lietišķās aviācijas tehnoloģijas birojs un NASA ir pārbaudījuši līdzīgas aktīvās sistēmas, lai samazinātu dažu helikoptera CH-47 elementu vibrācijas, kā arī iznīcinātāja F-18 astes lidmašīnas. FDA jau ir sākusi integrēt aktīvos materiālus rotora lāpstiņās, lai kontrolētu vibrāciju.

Parastā galvenajā rotorā asmeņi cieš no augsta vibrācijas līmeņa, ko izraisa rotācija un visas ar to saistītās parādības. Šī iemesla dēļ un lai samazinātu vibrāciju un atvieglotu uz asmeņiem iedarbīgo slodžu kontroli, tika pārbaudīti aktīvi asmeņi ar lielu lieces spēju. Īpašā testa veidā (ko sauc par "iegulto vērpšanas ķēdi"), mainoties uzbrukuma leņķim, asmens tiek savīti visā garumā, pateicoties aktīvās šķiedras kompozītmateriāla AFC (mīkstā polimēra matricā iestrādāta elektrokeramiskā šķiedra) integrācijai. asmens struktūrā. Aktīvās šķiedras ir sakrautas slāņos, viens slānis virs otra, uz asmens augšējās un apakšējās virsmas 45 grādu leņķī. Aktīvo šķiedru darbs rada asmenī izkliedētu spriegumu, kas izraisa atbilstošu liekšanos visā asmenī, kas var līdzsvarot šūpošanās vibrāciju. Citu testu (“diskrētu šūpošanos aktivizēšana”) raksturo pjezoelektrisko mehānismu (izpildmehānismu) plaša izmantošana vibrāciju kontrolei: izpildmehānismi ir novietoti asmens struktūrā, lai kontrolētu dažu deflektoru darbību, kas atrodas gar aizmugurējo malu. Tādējādi rodas aeroelastīga reakcija, kas var neitralizēt dzenskrūves radīto vibrāciju. Abi risinājumi tika novērtēti ar īstu helikopteru CH-47D testā ar nosaukumu MiT Hower Test Sand.

Pārveidojošu konstrukcijas elementu attīstība paver jaunas perspektīvas paaugstinātas sarežģītības konstrukciju projektēšanā, vienlaikus ievērojami samazinot to svaru un izmaksas. Ievērojams vibrācijas līmeņa samazinājums izpaužas kā palielināts konstrukcijas kalpošanas laiks, mazāk konstrukcijas integritātes pārbaužu, palielināta gala konstrukciju rentabilitāte, jo konstrukcijas ir pakļautas mazākām vibrācijām, paaugstināts komforts, uzlabota lidojuma veiktspēja un trokšņa kontrole helikopteros.

Saskaņā ar NASA datiem ir sagaidāms, ka nākamo 20 gadu laikā vajadzība pēc augstas veiktspējas lidmašīnu sistēmām, kas kļūs vieglākas un kompaktākas, prasīs plašāku morfizētu dizainu izmantošanu.

Attēls
Attēls

Pašdziedinošie materiāli

Pašdziedinošie materiāli, kas pieder viedo materiālu klasei, spēj patstāvīgi labot mehāniskā sprieguma vai ārējās ietekmes radītos bojājumus. Izstrādājot šos jaunos materiālus, kā iedvesmas avots tika izmantotas dabiskās un bioloģiskās sistēmas (piemēram, augi, daži dzīvnieki, cilvēka āda u.c.) (patiesībā sākumā tās sauca par biotehnoloģiskiem materiāliem). Pašlaik pašdziedinošus materiālus var atrast uzlabotos kompozītos, polimēros, metālos, keramikā, pretkorozijas pārklājumos un krāsās. Īpašs uzsvars tiek likts uz to pielietojumu kosmosa lietojumos (liela mēroga pētījumus veic NASA un Eiropas Kosmosa aģentūra), kam raksturīgs vakuums, lielas temperatūras atšķirības, mehāniskās vibrācijas, kosmiskais starojums, kā arī bojājumu samazināšana ko izraisa sadursmes ar kosmosa atlūzām un mikrometeorītiem. Turklāt pašdziedinošie materiāli ir būtiski aviācijas un aizsardzības nozarei. Mūsdienu polimēru kompozītmateriāli, ko izmanto kosmosā un militāros nolūkos, ir pakļauti bojājumiem, ko izraisa mehāniska, ķīmiska, termiska, ienaidnieka uguns vai šo faktoru kombinācija. Tā kā materiāla bojājumus ir grūti pamanīt un labot, ideāls risinājums būtu novērst bojājumus, kas radušies nano un mikro līmenī, un atjaunot materiāla sākotnējās īpašības un stāvokli. Tehnoloģijas pamatā ir sistēma, saskaņā ar kuru materiālā ir divu veidu mikrokapsulas, no kurām viena satur pašdziedinošu komponentu, bet otra-noteiktu katalizatoru. Ja materiāls ir bojāts, mikrokapsulas tiek iznīcinātas, un to saturs var reaģēt savā starpā, aizpildot bojājumus un atjaunojot materiāla integritāti. Tādējādi šie materiāli ievērojami veicina modernu lidaparātu modernu kompozītmateriālu drošību un izturību, vienlaikus novēršot nepieciešamību pēc dārgas aktīvas uzraudzības vai ārēja remonta un / vai nomaiņas. Neskatoties uz šo materiālu īpašībām, ir jāuzlabo aviācijas un kosmosa rūpniecībā izmantoto materiālu apkopes iespējas, un šai lomai tiek piedāvātas daudzslāņu oglekļa nanocaurules un epoksīda sistēmas. Šie korozijizturīgie materiāli palielina kompozītu stiepes izturību un amortizācijas īpašības un nemaina termisko triecienu. Interesanti ir arī izstrādāt kompozītmateriālu ar keramikas matricu - matricas kompozīciju, kas katru skābekļa molekulu (bojājuma rezultātā iekļuvusi materiālā) pārvērš silīcija -skābekļa daļiņā ar zemu viskozitāti, kas var plūst bojājumu dēļ līdz kapilārajam efektam un aizpildiet tos. NASA un kompānija Boeing eksperimentē ar pašdziedinošām plaisām kosmosa konstrukcijās, izmantojot polidimetilsiloksāna elastomēra matricu ar iestrādātām mikrokapsulām.

Pašdziedinošie materiāli spēj novērst bojājumus, aizverot spraugu ap štancēto priekšmetu. Acīmredzot šādas spējas tiek pētītas aizsardzības līmenī gan bruņumašīnām un tankiem, gan individuālajām aizsardzības sistēmām.

Pašdziedinošiem materiāliem militārām vajadzībām ir rūpīgi jāizvērtē mainīgie, kas saistīti ar hipotētiskiem bojājumiem. Šajā gadījumā trieciena bojājums ir atkarīgs no:

- lodes radītā kinētiskā enerģija (masa un ātrums), - sistēmas konstrukcijas (ārējā ģeometrija, materiāli, bruņas) un

- sadursmes ģeometrijas analīze (satikšanās leņķis).

Paturot to prātā, DARPA un ASV armijas laboratorijas eksperimentē ar vismodernākajiem pašdziedinošiem materiāliem. Jo īpaši atjaunojošās funkcijas var uzsākt ar ložu iespiešanos, kur ballistiskā ietekme izraisa lokālu materiāla sasilšanu, padarot iespējamu pašdziedināšanos.

Ļoti interesanti ir pētījumi un testi par pašdziedinošu stiklu, kurā plaisas, kas radušās kādas mehāniskas darbības rezultātā, ir piepildītas ar šķidrumu. Pašdziedinošo stiklu var izmantot militāro transportlīdzekļu ložu necaurlaidīgo vējstiklu ražošanā, kas ļautu karavīriem saglabāt labu redzamību. Tas var atrast pielietojumu arī citās jomās, aviācijā, datoru displejos utt.

Viens no nākotnes lielākajiem izaicinājumiem ir pagarināt konstrukcijas elementos un pārklājumos izmantoto uzlaboto materiālu kalpošanas laiku. Tiek pētīti šādi materiāli:

-pašdziedinoši materiāli, kuru pamatā ir grafēns (divdimensiju pusvadītāju nanomateriāls, kas sastāv no viena oglekļa atomu slāņa), - uzlaboti epoksīda sveķi, - materiāli, kas pakļauti saules gaismai, - pretkorozijas mikrokapsulas metāla virsmām, - elastomēri, kas spēj izturēt lodes triecienu, un

oglekļa nanocaurules, ko izmanto kā papildu sastāvdaļu, lai uzlabotu materiāla veiktspēju.

Ievērojams skaits materiālu ar šīm īpašībām pašlaik tiek testēti un pētīti eksperimentāli.

Izeja

Inženieri daudzus gadus bieži ierosināja konceptuāli daudzsološus projektus, bet nevarēja tos īstenot, jo nebija pieejami piemēroti materiāli to praktiskai īstenošanai. Mūsdienās galvenais mērķis ir izveidot vieglas konstrukcijas ar izcilām mehāniskām īpašībām. Mūsdienu progresam mūsdienu materiālos (viedie materiāli un nanokompozīti) ir galvenā loma, neskatoties uz visu sarežģītību, kad raksturlielumi bieži ir ļoti vērienīgi un dažreiz pat pretrunīgi. Pašlaik viss mainās ar kaleidoskopisku ātrumu, jaunam materiālam, kura ražošana tikai sākas, ir nākamais, uz kura viņi veic eksperimentus un testē. Aviācijas un aizsardzības nozare var gūt daudz labumu no šiem pārsteidzošajiem materiāliem.

Ieteicams: