Ang "di-tradisyunal na materyales" ay isa sa pinakamahalagang larangan ng pag-unlad ng teknolohiya sa industriya ng militar at aerospace. Ang mga materyales ay kailangang gumawa ng higit pa sa pagsisilbing isang sumusuporta sa istraktura - kailangan nilang maging matalinong materyales
Ang mga matalinong materyales ay isang espesyal na klase ng mga materyales na may kakayahang kumilos bilang isang actuator at bilang isang sensor, na nagbibigay ng kinakailangang mga deformasyong mekanikal na nauugnay sa mga pagbabago sa temperatura, kasalukuyang kuryente o magnetic field. Dahil ang mga pinaghalo na materyales ay binubuo ng higit sa isang materyal at dahil sa modernong teknolohikal na pag-unlad, posible na isama ang iba pang mga materyales (o istraktura) sa proseso ng pagbibigay ng pinagsamang pag-andar sa mga lugar tulad ng:
- Morphing, - Paggamot sa sarili, - Pang-unawa, - Proteksyon sa Kidlat, at
- Pagtabi ng enerhiya.
Magtutuon kami sa unang dalawang mga lugar sa artikulong ito.
Mga materyales sa morphing at istruktura ng morphing
Kasama sa mga materyales sa Morphing ang mga materyal na, pagsunod sa mga signal ng pag-input, binabago ang kanilang mga parameter na geometric at kung saan maibabalik ang kanilang orihinal na hugis kapag huminto ang mga panlabas na signal.
Ang mga materyal na ito, dahil sa kanilang reaksyon sa anyo ng isang pagbabago sa hugis, ay ginagamit bilang mga actuator, ngunit maaari rin silang magamit sa kabaligtaran na paraan, iyon ay, bilang mga sensor kung saan ang isang panlabas na impluwensyang inilapat sa materyal ay binago sa isang signal Ang mga aplikasyon ng aerospace ng mga materyal na ito ay iba-iba: mga sensor, actuator, switch sa mga de-koryenteng pag-install at patakaran ng pamahalaan, avionics, at mga koneksyon sa mga haydroliko na sistema. Ang mga benepisyo ay: natatanging pagiging maaasahan, mahabang buhay ng serbisyo, walang pagtulo, mababang gastos sa pag-install at isang makabuluhang pagbawas sa pagpapanatili. Sa partikular, sa mga actuator na gawa sa mga materyales na morphing at hugis ng mga haluang memorya, ang mga actuator para sa awtomatikong kontrol ng mga avionics system na lumalamig at mga actuator para sa pagsasara / pagbubukas ng mga damper ng gabay sa mga sistema ng aircon ng sabungan ay may partikular na interes.
Ang mga materyal na nagbabago ng hugis bilang isang resulta ng aplikasyon ng isang electric field ay may kasamang mga materyal na piezoelectric (ang kababalaghan ng polariseysyon ng mga materyales na may isang mala-kristal na istraktura sa ilalim ng pagkilos ng mga mekanikal na stress (direktang epekto ng piezoelectric) at mga deformasyong mekanikal sa ilalim ng aksyon ng isang electric field (baligtarin ang epekto ng piezoelectric)) at mga materyal na electrostrictive. Ang pagkakaiba ay nakasalalay sa tugon sa isang inilapat na larangan ng kuryente: ang isang materyal na piezoelectric ay maaaring pahabain o paikliin, habang ang isang electrostrictive na materyal ay pinahaba lamang, hindi alintana ang direksyon ng inilapat na patlang. Sa kaso ng mga sensor, ang boltahe na nabuo ng stress ng mekanikal ay sinusukat at naproseso upang makakuha ng impormasyon tungkol sa parehong stress. Ang mga materyal na ito na may direktang epekto ng piezoelectric ay malawakang ginagamit sa pagpabilis at pag-load ng mga sensor, acoustic sensor. Ang iba pang mga materyales batay sa reverse piezoelectric effect ay ginagamit sa lahat ng mga actuator; madalas silang ginagamit sa mga optikal na sistema para sa mga satellite ng pagsubaybay, dahil may kakayahang ayusin ang posisyon ng mga lente at salamin na may katumpakan ng nanometer. Ang mga nabanggit na materyales ay isinasama din sa mga istruktura ng morphing upang mabago ang ilang mga katangian na geometriko at magbigay ng mga espesyal na karagdagang katangian sa mga istrukturang ito. Ang isang istrakturang morph (tinatawag ding matalinong istraktura o aktibong istraktura) ay may kakayahang maranasan ang mga pagbabago sa mga panlabas na kundisyon dahil sa pagpapatakbo ng sensor / electromekanical transducer system na nakapaloob dito. Sa ganitong paraan (dahil sa pagkakaroon ng isa o higit pang mga microprocessor at power electronics), ang mga naaangkop na pagbabago ay maaaring sapilitan alinsunod sa data na nagmumula sa mga sensor, pinapayagan ang istraktura na umangkop sa mga panlabas na pagbabago. Ang nasabing aktibong pagsubaybay ay nalalapat hindi lamang sa isang panlabas na signal ng pag-input (hal. Presyon ng mekanikal o pagbabago ng hugis), kundi pati na rin sa mga pagbabago sa panloob na mga katangian (hal. Pinsala o pagkabigo). Ang saklaw ng aplikasyon ay medyo malawak at may kasamang mga system space, sasakyang panghimpapawid at mga helikopter (kontrol ng panginginig, ingay, pagbabago ng hugis, pamamahagi ng stress at katatagan ng aeroelastic), mga sistema ng dagat (mga barko at submarino), pati na rin ang mga teknolohiya ng proteksyon.
Ang isa sa mga pagkahilig na bawasan ang panginginig ng boses (panginginig ng boses) na nangyayari sa mga istruktura na sistema ay napaka-interesante. Ang mga espesyal na sensor (na binubuo ng multilayer piezoelectric ceramics) ay inilalagay sa pinaka-stress na mga puntos upang makita ang mga panginginig. Matapos pag-aralan ang mga signal na sapilitan ng panginginig, ang microprocessor ay nagpapadala ng isang senyas (proporsyonal sa pinag-aralan na signal) sa actuator, na tumutugon sa isang naaangkop na kilusan na may kakayahang pigilan ang panginginig. Ang US Army's Office of Applied Aviation Technology at NASA ay sumubok ng katulad na mga aktibong system upang mabawasan ang mga panginginig ng ilang mga elemento ng CH-47 helicopter, pati na rin ang mga tail plan ng F-18 fighter. Sinimulan na ng FDA ang pagsasama ng mga aktibong materyales sa mga rotor blades upang makontrol ang panginginig ng boses.
Sa isang maginoo pangunahing rotor, ang mga blades ay nagdurusa mula sa mataas na antas ng panginginig ng boses na dulot ng pag-ikot at lahat ng mga kaugnay na phenomena. Para sa kadahilanang ito, at upang mabawasan ang panginginig ng boses at mapadali ang pagkontrol ng mga pagkarga ng pagkarga sa mga talim, ang mga aktibong talim na may mataas na kakayahan sa baluktot ay nasubok. Sa isang espesyal na uri ng pagsubok (tinatawag na "naka-embed na paikot-ikot na circuit"), kapag ang anggulo ng pag-atake ay nagbago, ang talim ay napilipit kasama ang buong haba nito salamat sa aktibong hibla na pinaghalong AFC (electro-ceramic fiber na naka-embed sa isang malambot na polymer matrix) na isinama sa istraktura ng talim. Ang mga aktibong hibla ay nakasalansan sa mga layer, isang layer sa itaas ng isa pa, sa itaas at mas mababang mga ibabaw ng talim sa isang anggulo ng 45 degree. Ang gawain ng mga aktibong hibla ay lumilikha ng isang ibinahaging stress sa talim, na nagdudulot ng kaukulang baluktot sa buong talim, na maaaring balansehin ang swing vibration. Ang isa pang pagsubok ("pagsasaaktibo ng discrete swing") ay nailalarawan sa pamamagitan ng laganap na paggamit ng mga mekanismo ng piezoelectric (actuators) para sa control ng panginginig: ang mga actuator ay inilalagay sa istraktura ng talim upang makontrol ang pagpapatakbo ng ilang mga deflector na matatagpuan sa kahabaan ng trailing edge. Samakatuwid, nangyayari ang isang reaksyon ng aeroelastic na maaaring i-neutralize ang panginginig ng boses na binuo ng propeller. Ang parehong mga solusyon ay nasuri sa isang tunay na CH-47D helicopter sa isang pagsubok na tinatawag na MiT Hower Test Sand.
Ang pagbuo ng mga elemento ng istruktura ng morphing ay nagbubukas ng mga bagong pananaw sa disenyo ng mga istraktura ng nadagdagan na pagiging kumplikado, habang ang kanilang timbang at gastos ay makabuluhang nabawasan. Ang isang minarkahang pagbawas sa mga antas ng panginginig ay isinasalin sa: nadagdagan ang buhay ng istraktura, mas kaunting mga pagsusuri sa integridad ng istruktura, nadagdagan ang kakayahang kumita ng mga panghuling disenyo dahil ang mga istraktura ay napapailalim sa mas kaunting panginginig ng boses, nadagdagan ang ginhawa, pinahusay na pagganap ng paglipad at pagkontrol ng ingay sa mga helikopter.
Ayon sa NASA, inaasahan na sa susunod na 20 taon, ang pangangailangan para sa mga mataas na pagganap na mga sistema ng sasakyang panghimpapawid na magiging mas magaan at mas compact ay mangangailangan ng mas malawak na paggamit ng mga disenyo ng morphing.
Mga materyales sa pagpapagaling sa sarili
Ang mga materyales na nagpapagaling sa sarili na kabilang sa klase ng mga matalinong materyales ay nakapag-iisa na mag-ayos ng pinsala na dulot ng mekanikal stress o panlabas na impluwensya. Kapag binubuo ang mga bagong materyales, ang mga natural at biological system (halimbawa, mga halaman, ilang hayop, balat ng tao, atbp.) Ay ginamit bilang isang mapagkukunan ng inspirasyon (sa katunayan, sa simula ay tinawag silang mga biotechnological material). Ngayon, ang mga materyales na nagpapagaling sa sarili ay matatagpuan sa mga advanced na pinaghalo, polymer, riles, keramika, patong na anti-kaagnasan at pintura. Ang partikular na diin ay inilalagay sa kanilang aplikasyon sa mga application ng kalawakan (ang malakihang pagsasaliksik ay isinasagawa ng NASA at ng European Space Agency), na nailalarawan sa pamamagitan ng vacuum, malaking pagkakaiba-iba ng temperatura, mga mechanical vibration, cosmic radiation, pati na rin upang mabawasan ang pinsala sanhi ng mga banggaan ng space debris at micrometeorites. Bilang karagdagan, ang mga materyales sa pagpapagaling sa sarili ay mahalaga para sa mga industriya ng aviation at defense. Ang mga modernong compound ng polimer na ginamit sa mga aplikasyon ng aerospace at militar ay madaling kapitan ng pinsala na dulot ng mekanikal, kemikal, thermal, sunog ng kaaway, o isang kombinasyon ng mga salik na ito. Dahil ang pinsala sa loob ng mga materyales ay mahirap pansinin at ayusin, ang perpektong solusyon ay upang maalis ang pinsala na naganap sa antas ng nano at micro at ibalik ang materyal sa mga orihinal na katangian at kundisyon. Ang teknolohiya ay batay sa isang sistema alinsunod sa kung saan ang materyal ay may kasamang microcapsules ng dalawang magkakaibang uri, ang isa na naglalaman ng isang sangkap na nagpapagaling sa sarili at ang iba pa ay isang tiyak na katalista. Kung ang materyal ay nasira, ang microcapsules ay nawasak at ang kanilang mga nilalaman ay maaaring tumugon sa bawat isa, pinupunan ang pinsala at ibalik ang integridad ng materyal. Sa gayon, ang mga materyal na ito ay lubos na nag-aambag sa kaligtasan at tibay ng mga advanced na pinaghalo sa modernong sasakyang panghimpapawid, habang tinatanggal ang pangangailangan para sa mamahaling aktibong pagsubaybay o panlabas na pag-aayos at / o kapalit. Sa kabila ng mga katangian ng mga materyal na ito, kailangang mapabuti ang pagpapanatili ng mga materyales na ginamit ng industriya ng aerospace, at ang mga multilayer carbon nanotubes at epoxy system ay iminungkahi para sa papel na ito. Ang mga materyales na lumalaban sa kaagnasan ay nagdaragdag ng lakas na makunat at pamamasa ng mga katangian ng mga pinaghalo at hindi binabago ang paglaban ng thermal shock. Nakatutuwang din upang bumuo ng isang pinaghalo materyal na may isang ceramic matrix - isang komposisyon ng matrix na nagko-convert ang bawat oxygen Molekyul (natagos sa materyal bilang isang resulta ng pinsala) sa isang maliit na butil ng silicon-oxygen na may isang mababang lagkit, na maaaring dumaloy sa pinsala dahil sa capillary effect at punan ang mga ito. Ang NASA at Boeing ay nag-eeksperimento sa mga bitak na nagpapagaling sa sarili sa mga istruktura ng aerospace gamit ang isang polydimethylsiloxane elastomer matrix na may naka-embed na microcapsules.
Ang mga materyales na nagpapagaling sa sarili ay may kakayahang ayusin ang pinsala sa pamamagitan ng pagsara ng puwang sa paligid ng nasuntok na bagay. Malinaw na, ang mga naturang kakayahan ay pinag-aaralan sa antas ng pagtatanggol, kapwa para sa pag-armas ng mga sasakyan at tank, at para sa mga personal na sistema ng proteksyon.
Ang mga materyales sa self-healing para sa mga aplikasyon ng militar ay nangangailangan ng maingat na pagsusuri ng mga variable na nauugnay sa pinsala na hypothetical. Sa kasong ito, ang pinsala sa epekto ay nakasalalay sa:
- lakas na gumagalaw dahil sa bala (masa at bilis), - Mga disenyo ng system (panlabas na geometry, mga materyales, nakasuot), at
- pagtatasa ng geometry ng banggaan (anggulo ng pagpupulong).
Sa pag-iisip na ito, ang DARPA at ang US Army Laboratories ay nag-eeksperimento sa pinaka-advanced na mga materyales sa pagpapagaling sa sarili. Sa partikular, ang mga pagpapaandar na panunumbalik ay maaaring pasimulan sa pamamagitan ng pagtagos ng bala kung saan ang epekto sa ballistic ay sanhi ng naisalokal na pagpainit ng materyal, na ginagawang posible ang pagpapagaling sa sarili.
Ang mga pag-aaral at pagsubok ng self-paggaling na baso ay napaka-kagiliw-giliw, kung saan ang mga bitak na sanhi ng ilang mekanikal na aksyon ay puno ng likido. Ang baso na nagpapagaling sa sarili ay maaaring magamit sa paggawa ng mga hindi tinatagusan ng bala na mga salamin ng sasakyan ng mga sasakyang militar, na magpapahintulot sa mga sundalo na mapanatili ang mahusay na kakayahang makita. Maaari din itong makahanap ng aplikasyon sa iba pang mga larangan, abyasyon, pagpapakita ng computer, atbp.
Ang isa sa hinaharap na pangunahing hamon ay upang pahabain ang buhay ng mga advanced na materyales na ginamit sa mga elemento ng istruktura at patong. Ang mga sumusunod na materyales ay iniimbestigahan:
- Mga materyales na nagpapagaling sa sarili batay sa graphene (two-dimensional semiconductor nanomaterial na binubuo ng isang layer ng mga carbon atoms), - advanced epoxy resins, - mga materyal na nakalantad sa sikat ng araw, - Mga microcapsule na anti-kaagnasan para sa mga ibabaw ng metal, - elastomer na may kakayahang makatiis ng epekto ng bala, at
carbon nanotube na ginamit bilang isang karagdagang sangkap upang mapahusay ang materyal na pagganap.
Ang isang makabuluhang bilang ng mga materyales na may mga katangiang ito ay kasalukuyang sinusubukan at sinisiyasat ng eksperimento.
Paglabas
Sa loob ng maraming taon, madalas na iminungkahi ng mga inhinyero ang mga proyekto na may pag-asa sa konsepto, ngunit hindi maipatupad ang mga ito dahil sa hindi ma-access na naaangkop na mga materyales para sa kanilang praktikal na pagpapatupad. Ngayon, ang pangunahing layunin ay upang lumikha ng magaan na istraktura na may natitirang mga mekanikal na katangian. Ang modernong pag-unlad sa mga modernong materyales (matalinong materyales at nanocomposites) ay may pangunahing papel, sa kabila ng lahat ng pagiging kumplikado, kung ang mga katangian ay madalas na napaka mapaghangad at kung minsan ay magkasalungat pa rin. Sa kasalukuyan, ang lahat ay nagbabago ng isang bilis ng kaleidoscopic, para sa isang bagong materyal, na ang produksyon ay nagsisimula pa lamang, mayroong isang susunod, kung saan nagsasagawa sila ng mga eksperimento at pagsubok. Ang industriya ng aerospace at pagtatanggol ay maaaring umani ng maraming mga benepisyo mula sa mga kamangha-manghang mga materyales.
