„Netradičné materiály“sú jednou z najdôležitejších oblastí vývoja technológie vo vojenskom a leteckom priemysle. Materiály musia robiť viac, než len slúžiť ako nosná konštrukcia - musia to byť inteligentné materiály
Inteligentné materiály sú špeciálnou triedou materiálov, ktoré majú schopnosť pôsobiť ako pohon a ako snímač a poskytujú potrebné mechanické deformácie súvisiace so zmenami teploty, elektrického prúdu alebo magnetického poľa. Pretože kompozitné materiály sú zložené z viac ako jedného materiálu a vzhľadom na moderný technologický pokrok je teraz možné zahrnúť ďalšie materiály (alebo štruktúry) do procesu poskytovania integrovanej funkčnosti v oblastiach, ako sú:
- Morfovanie, - samoliečba, - vnímanie, - Ochrana pred bleskom, a
- Skladovanie energie.
V tomto článku sa zameriame na prvé dve oblasti.
Morfovacie materiály a morfovacie štruktúry
Morfovacie materiály zahrnujú tie materiály, ktoré podľa vstupných signálov menia svoje geometrické parametre a sú schopné obnoviť svoj pôvodný tvar, keď sa vonkajšie signály zastavia.
Tieto materiály sa kvôli svojej reakcii vo forme zmeny tvaru používajú ako akčné členy, ale môžu sa použiť aj opačne, tj. Ako snímače, v ktorých sa vonkajší vplyv na materiál transformuje na signál. Letecké a kozmické aplikácie týchto materiálov sú rôzne: snímače, akčné členy, spínače v elektrických inštaláciách a prístrojoch, avionika a spojenia v hydraulických systémoch. Výhody sú: výnimočná spoľahlivosť, dlhá životnosť, žiadne netesnosti, nízke náklady na inštaláciu a výrazné zníženie údržby. Najmä medzi akčnými členmi vyrobenými z tvarovacích materiálov a zliatin s tvarovou pamäťou sú obzvlášť zaujímavé ovládače pre automatické ovládanie chladiacich systémov avioniky a pohony pre zatváranie / otváranie vodiacich klapiek v klimatizačných systémoch v kokpite.
K materiálom, ktoré menia tvar v dôsledku aplikácie elektrického poľa, patria piezoelektrické materiály (jav polarizácie materiálov s kryštalickou štruktúrou pôsobením mechanických napätí (priamy piezoelektrický efekt) a mechanické deformácie pôsobením elektrického poľa (reverzný piezoelektrický efekt)) a elektrostriktívne materiály. Rozdiel spočíva v reakcii na použité elektrické pole: piezoelektrický materiál sa môže predĺžiť alebo skrátiť, zatiaľ čo elektrostriktívny materiál sa predlžuje iba bez ohľadu na smer aplikovaného poľa. V prípade senzorov sa napätie generované mechanickým namáhaním meria a spracúva, aby sa získali informácie o rovnakom napätí. Tieto materiály s priamym piezoelektrickým efektom sa široko používajú v snímačoch zrýchlenia a zaťaženia, akustických snímačoch. Vo všetkých pohonoch sú použité ďalšie materiály založené na reverznom piezoelektrickom efekte; často sa používajú v optických systémoch pre prieskumné satelity, pretože sú schopné prispôsobiť polohu šošoviek a zrkadiel s nanometrovou presnosťou. Vyššie uvedené materiály sú tiež zahrnuté do morfovacích štruktúr, aby sa zmenili určité geometrické charakteristiky a dodali týmto štruktúram špeciálne dodatočné vlastnosti. Morfová štruktúra (nazývaná tiež inteligentná štruktúra alebo aktívna štruktúra) je schopná snímať zmeny vonkajších podmienok v dôsledku činnosti v ňom zabudovaného systému snímača / elektromechanického prevodníka. Týmto spôsobom (vzhľadom na prítomnosť jedného alebo viacerých mikroprocesorov a výkonovej elektroniky) je možné indukovať vhodné zmeny v súlade s údajmi pochádzajúcimi zo senzorov, čo umožňuje štruktúre prispôsobiť sa vonkajším zmenám. Takéto aktívne monitorovanie je použiteľné nielen na externý vstupný signál (napr. Mechanický tlak alebo zmena tvaru), ale aj na zmeny vnútorných charakteristík (napr. Poškodenie alebo porucha). Rozsah použitia je dosť široký a zahŕňa vesmírne systémy, lietadlá a helikoptéry (riadenie vibrácií, hluku, zmeny tvaru, rozloženie napätia a aeroelastická stabilita), námorné systémy (lode a ponorky), ako aj ochranné technológie.
Jedna z tendencií znižovať vibrácie (vibrácie), ktoré sa vyskytujú v konštrukčných systémoch, je veľmi zaujímavá. Špeciálne snímače (pozostávajúce z viacvrstvovej piezoelektrickej keramiky) sú umiestnené v najviac namáhaných bodoch, aby detekovali vibrácie. Po analýze signálov vyvolaných vibráciami vyšle mikroprocesor signál (úmerný analyzovanému signálu) do pohonu, ktorý reaguje vhodným pohybom, ktorý je schopný inhibovať vibrácie. Americký úrad pre aplikovanú leteckú techniku a NASA testovali podobné aktívne systémy s cieľom znížiť vibrácie niektorých prvkov vrtuľníka CH-47, ako aj chvostových lietadiel stíhačky F-18. FDA už začal integrovať aktívne materiály do listov rotora na reguláciu vibrácií.
V konvenčnom hlavnom rotore lopatky trpia vysokou úrovňou vibrácií spôsobených rotáciou a všetkými súvisiacimi javmi. Z tohto dôvodu a za účelom zníženia vibrácií a uľahčenia kontroly zaťaženia pôsobiaceho na lopatky boli testované aktívne lopatky s vysokou ohýbacou schopnosťou. Pri špeciálnom type testu (nazývanom „zabudovaný skrútený obvod“), keď sa uhol nábehu zmení, je čepeľ skrútená po celej dĺžke vďaka integrovanému aktívnemu vláknovému kompozitu AFC (elektro-keramické vlákno vložené do mäkkej polymérnej matrice) do štruktúry čepele. Aktívne vlákna sú naskladané vo vrstvách, jedna vrstva nad druhou, na hornom a dolnom povrchu čepele pod uhlom 45 stupňov. Práca aktívnych vlákien vytvára v lopatke distribuované napätie, ktoré spôsobuje zodpovedajúce prehnutie v celom kotúči, ktoré môže vyrovnávať vibrácie švihu. Ďalší test („aktivácia diskrétnych výkyvov“) je charakterizovaný rozšíreným používaním piezoelektrických mechanizmov (pohonov) na reguláciu vibrácií: akčné členy sú umiestnené v konštrukcii lopatky na ovládanie činnosti niektorých deflektorov umiestnených pozdĺž odtokovej hrany. Dochádza teda k aeroelastickej reakcii, ktorá môže neutralizovať vibrácie generované vrtuľou. Obe riešenia boli vyhodnotené na skutočnom vrtuľníku CH-47D v teste s názvom MiT Hower Test Sand.
Vývoj morfovacích štruktúrnych prvkov otvára nové perspektívy v navrhovaní štruktúr so zvýšenou zložitosťou, pričom sa výrazne znižuje ich hmotnosť a náklady. Výrazné zníženie úrovní vibrácií sa prejavuje v: predĺženej životnosti konštrukcie, menšom počte kontrol integrity štruktúry, zvýšenej ziskovosti konečných návrhov, pretože konštrukcie podliehajú menším vibráciám, zvýšenému komfortu, zlepšenému letovému výkonu a kontrole hluku vo vrtuľníkoch.
Podľa NASA sa očakáva, že v priebehu nasledujúcich 20 rokov bude potreba výkonných leteckých systémov, ktoré sa stanú ľahšími a kompaktnejšími, vyžadovať rozsiahlejšie používanie návrhov morfovania.
Samoliečebné materiály
Samoliečebné materiály patriace do triedy inteligentných materiálov sú schopné nezávisle opravovať poškodenia spôsobené mechanickým namáhaním alebo vonkajšími vplyvmi. Pri vývoji týchto nových materiálov slúžili ako zdroj inšpirácie prírodné a biologické systémy (napríklad rastliny, niektoré zvieratá, ľudská koža atď.) (V skutočnosti sa na začiatku nazývali biotechnologické materiály). Samoliečebné materiály dnes nájdete v pokrokových kompozitoch, polyméroch, kovoch, keramike, antikoróznych náteroch a farbách. Osobitný dôraz sa kladie na ich aplikáciu vo vesmírnych aplikáciách (rozsiahly výskum vykonáva NASA a Európska vesmírna agentúra), ktoré sa vyznačujú vákuom, veľkými teplotnými rozdielmi, mechanickými vibráciami, kozmickým žiarením, ako aj znižovaním škôd spôsobené kolíziami s vesmírnymi odpadkami a mikrometeoritmi. Samoopravné materiály sú navyše nevyhnutné pre letecký a obranný priemysel. Moderné polymérne kompozity používané v letectve a vo vojenských aplikáciách sú náchylné na poškodenie spôsobené mechanickým, chemickým, tepelným, nepriateľským ohňom alebo kombináciou týchto faktorov. Pretože poškodenie vnútorných materiálov je ťažké si všimnúť a opraviť, ideálnym riešením by bolo odstrániť škody, ktoré nastali na nano a mikro úrovni, a vrátiť materiálu jeho pôvodné vlastnosti a stav. Technológia je založená na systéme, podľa ktorého materiál obsahuje mikrokapsule dvoch rôznych typov, pričom jeden obsahuje samoopravnú zložku a druhý určitý katalyzátor. Ak je materiál poškodený, mikrokapsule sa zničia a ich obsah môže navzájom reagovať, vyplniť poškodenie a obnoviť integritu materiálu. Tieto materiály teda vo veľkej miere prispievajú k bezpečnosti a trvanlivosti pokročilých kompozitov v moderných lietadlách, pričom eliminujú potrebu nákladného aktívneho monitorovania alebo externej opravy a / alebo výmeny. Napriek vlastnostiam týchto materiálov je potrebné zlepšiť udržiavateľnosť materiálov používaných v leteckom priemysle a na túto úlohu sa navrhujú viacvrstvové uhlíkové nanorúrky a epoxidové systémy. Tieto materiály odolné voči korózii zvyšujú pevnosť v ťahu a tlmiace vlastnosti kompozitov a nemenia odolnosť voči tepelnému šoku. Je tiež zaujímavé vyvinúť kompozitný materiál s keramickou matricou - matricovú kompozíciu, ktorá premieňa každú molekulu kyslíka (preniknutú do materiálu v dôsledku poškodenia) na časticu kremíka a kyslíka s nízkou viskozitou, ktorá môže prúdiť do poškodenia v dôsledku na kapilárny efekt a naplňte ich. NASA a Boeing experimentujú so samoliečivými trhlinami v leteckých štruktúrach s použitím polydimetylsiloxánovej elastomérovej matrice so zabudovanými mikrokapsulami.
Samoliečebné materiály sú schopné napraviť poškodenie uzatvorením medzery okolo prerazeného predmetu. Očividne sa tieto schopnosti skúmajú na úrovni obrany, a to tak pre pancierovanie vozidiel a tankov, ako aj pre systémy osobnej ochrany.
Samoopravné materiály pre vojenské aplikácie vyžadujú starostlivé vyhodnotenie premenných spojených s hypotetickým poškodením. V tomto prípade poškodenie pri náraze závisí od:
- kinetická energia spôsobená strelou (hmotnosť a rýchlosť), - návrhy systémov (vonkajšia geometria, materiály, brnenie) a
- analýza kolíznej geometrie (uhol stretu).
S ohľadom na to experimentujú DARPA a americké armádne laboratóriá s najpokročilejšími samoliečebnými materiálmi. Regeneračné funkcie môžu byť iniciované najmä prienikom strely, kde balistický náraz spôsobuje lokálne zahrievanie materiálu, čo umožňuje samoliečbu.
Veľmi zaujímavé sú štúdie a testy samoopravného skla, pri ktorých sú praskliny spôsobené nejakým mechanickým pôsobením vyplnené tekutinou. Samoopravné sklo je možné použiť na výrobu nepriestrelných predných skiel vojenských vozidiel, čo by vojakom umožňovalo udržiavať dobrú viditeľnosť. Môže tiež nájsť uplatnenie v iných oblastiach, letectve, počítačových displejoch atď.
Jednou z budúcich veľkých výziev je predĺženie životnosti pokročilých materiálov používaných v konštrukčných prvkoch a náteroch. Nasledujúce materiály sa skúmajú:
-samoopravné materiály na báze grafénu (dvojrozmerný polovodičový nanomateriál pozostávajúci z jednej vrstvy atómov uhlíka), - pokročilé epoxidové živice, - materiály vystavené slnečnému žiareniu, - antikorózne mikrokapsule na kovové povrchy, - elastoméry schopné odolávať nárazom strely a
uhlíkové nanorúrky používané ako dodatočná zložka na zvýšenie výkonu materiálu.
Značný počet materiálov s týmito vlastnosťami sa v súčasnosti testuje a experimentálne skúma.
Výkon
Inžinieri mnoho rokov často navrhovali koncepčne sľubné projekty, ale nemohli ich realizovať z dôvodu nedostupnosti vhodných materiálov na ich praktickú implementáciu. Dnes je hlavným cieľom vytvoriť ľahké konštrukcie s vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami. Moderný pokrok v moderných materiáloch (inteligentné materiály a nanokompozity) zohráva kľúčovú úlohu napriek všetkej zložitosti, keď sú charakteristiky často veľmi ambiciózne a niekedy dokonca protirečivé. V súčasnej dobe sa všetko mení kaleidoskopickou rýchlosťou, pretože pre nový materiál, ktorého výroba sa len začína, existuje ďalší, na ktorom vykonávajú experimenty a testy. Letecký a obranný priemysel môže z týchto úžasných materiálov ťažiť mnoho výhod.
