"An'anaviy bo'lmagan materiallar" harbiy va aerokosmik sanoatda texnologiyalarni rivojlantirishning eng muhim yo'nalishlaridan biridir. Materiallar faqat qo'llab -quvvatlovchi tuzilma bo'libgina qolmay, balki aqlli materiallar bo'lishi kerak
Aqlli materiallar - bu harorat, elektr toki yoki magnit maydonining o'zgarishi bilan bog'liq zarur mexanik deformatsiyalarni ta'minlovchi, harakatlantiruvchi va sensor vazifasini bajaradigan materiallarning maxsus klassi. Kompozit materiallar bir nechta materiallardan tashkil topganligi sababli va zamonaviy texnologik taraqqiyot tufayli, endi quyidagi sohalarda integratsiyalashgan funksionallikni ta'minlash jarayoniga boshqa materiallarni (yoki tuzilmalarni) kiritish mumkin:
- Morfing, - o'z-o'zini davolash, - idrok, - Yildirimdan himoya va
- Energiyani saqlash.
Biz ushbu maqolada birinchi ikkita sohaga e'tibor qaratamiz.
Morfing materiallari va tuzilish tuzilmalari
Morfing materiallariga kirish signallaridan so'ng geometrik parametrlarini o'zgartiradigan va tashqi signallar to'xtaganda asl shaklini tiklaydigan materiallar kiradi.
Bu materiallar, shakli o'zgarishi shaklidagi reaktsiyasi tufayli, aktuator sifatida ishlatiladi, lekin ularni teskari usulda ham ishlatish mumkin, ya'ni materialga tashqi ta'sir o'tkaziladigan sensorlar sifatida. signal Ushbu materiallarning aerokosmik ilovalari har xil: sensorlar, aktuatorlar, elektr inshootlari va apparatlaridagi kalitlar, avionika va gidravlik tizimlardagi ulanishlar. Foyda quyidagilardir: ajoyib ishonchlilik, uzoq xizmat muddati, oqish yo'qligi, past o'rnatish xarajatlari va texnik xizmat ko'rsatishning sezilarli darajada kamayishi. Xususan, morfing materiallari va shaklli xotira qotishmalaridan yasalgan aktuatorlar orasida avionik sovutish tizimlarini avtomatik boshqaruvchi aktyorlar va kokpit konditsioner tizimlaridagi hidoyat amortizatorlarini yopish / ochish aktuatorlari alohida qiziqish uyg'otadi.
Elektr maydonini qo'llash natijasida shaklini o'zgartiradigan materiallarga piezoelektrik materiallar (mexanik kuchlanish ta'sirida kristalli tuzilishga ega bo'lgan materiallarning qutblanish hodisasi (to'g'ridan -to'g'ri piezoelektrik ta'sir) va elektr maydon ta'sirida mexanik deformatsiyalar kiradi) teskari piezoelektrik effekt)) va elektrostatik materiallar. Farqi qo'llaniladigan elektr maydoniga javobda: piezoelektrik material uzayishi yoki qisqarishi mumkin, elektrostiktiv material esa qo'llaniladigan maydonning yo'nalishidan qat'i nazar faqat uzayadi. Datchiklar holatida, xuddi shu stress haqida ma'lumot olish uchun mexanik kuchlanish natijasida hosil bo'ladigan kuchlanish o'lchanadi va qayta ishlanadi. To'g'ridan -to'g'ri piezoelektrik ta'sirga ega bo'lgan bu materiallar tezlashtirish va yuk sezgichlarida, akustik sensorlarda keng qo'llaniladi. Barcha aktuatorlarda teskari piezoelektrik effektga asoslangan boshqa materiallar ishlatiladi; ular ko'pincha optik tizimlarda sun'iy yo'ldoshlarni qidirish uchun ishlatiladi, chunki ular nanometr aniqligi bilan linzalar va ko'zgular o'rnini sozlash imkoniyatiga ega. Yuqorida aytib o'tilgan materiallar, shuningdek, ma'lum geometrik xususiyatlarni o'zgartirish va bu tuzilmalarga maxsus qo'shimcha xususiyatlar berish maqsadida, morfli tuzilmalarga kiritilgan. Morf tuzilishi (uni aqlli struktura yoki faol tuzilma deb ham atashadi) unga o'rnatilgan sensor / elektromexanik o'tkazgich tizimining ishlashi tufayli tashqi sharoitdagi o'zgarishlarni sezishga qodir. Shu tarzda (bir yoki bir nechta mikroprotsessorlar va elektrotexnika mavjudligi tufayli), sensorlardan keladigan ma'lumotlarga muvofiq, strukturaning tashqi o'zgarishlarga moslashishiga imkon beradigan tegishli o'zgarishlarni keltirib chiqarish mumkin. Bunday faol monitoring nafaqat tashqi kirish signaliga (masalan, mexanik bosim yoki shakl o'zgarishi), balki ichki xususiyatlarning o'zgarishiga (masalan, shikastlanish yoki nosozlik) ham tegishli. Qo'llash doirasi juda keng va kosmik tizimlar, samolyotlar va vertolyotlar (tebranish, shovqin, shakl o'zgarishi, stress taqsimoti va aeroelastik barqarorlikni boshqarish), dengiz tizimlari (kemalar va suv osti kemalari), shuningdek himoya texnologiyalarini o'z ichiga oladi.
Strukturaviy tizimlarda yuzaga keladigan tebranishni (tebranishlarni) kamaytirish tendentsiyalaridan biri juda qiziq. Maxsus datchiklar (ko'p qatlamli piezoelektrik keramikadan tashkil topgan) tebranishlarni aniqlash uchun eng ko'p stressli nuqtalarga joylashtiriladi. Vibratsiyali signallarni tahlil qilib bo'lgach, mikroprotsessor aktuatorga signalni (tahlil qilingan signalga mutanosib) yuboradi, u tebranishni inhibe qila oladigan mos harakat bilan javob beradi. AQSh armiyasining amaliy aviatsiya texnologiyalari boshqarmasi va NASA CH-47 vertolyotining ba'zi elementlari, shuningdek F-18 qiruvchi samolyotining quyruq samolyotlarining tebranishlarini kamaytirish maqsadida shu kabi faol tizimlarni sinovdan o'tkazdi. FDA allaqachon tebranishni boshqarish uchun faol materiallarni rotorli pichoqlarga birlashtira boshladi.
An'anaviy asosiy rotorda pichoqlar aylanish va ular bilan bog'liq bo'lgan barcha hodisalar tufayli yuqori darajadagi tebranishdan aziyat chekadi. Shu sababli va tebranishni kamaytirish va pichoqlarga ta'sir qiladigan yuklarni boshqarishni engillashtirish uchun egilish qobiliyati yuqori bo'lgan faol pichoqlar sinovdan o'tkazildi. Maxsus sinov turida ("o'rnatilgan burilish davri" deb ataladi), hujum burchagi o'zgarganda, pichoq butun uzunligi bo'ylab buriladi, bu faol tolali kompozit AFC (yumshoq polimer matritsaga o'rnatilgan elektro-keramik tolali). pichoq tuzilishiga kiradi. Faol tolalar pichoqning ustki va pastki yuzalarida 45 daraja burchak ostida, bir qavat ikkinchisining ustki qatlamlarida yig'iladi. Faol tolalarning ishi pichoqda taqsimlangan stressni hosil qiladi, bu esa pichoq bo'ylab mos keladigan burilishni keltirib chiqaradi, bu tebranish tebranishini muvozanatlashi mumkin. Yana bir sinov ("diskret tebranishlarni faollashtirish") tebranishni boshqarish uchun piezoelektrik mexanizmlarning (aktuatorlarning) keng qo'llanilishi bilan tavsiflanadi: aktuatorlar pichoq tuzilishiga joylashtirilib, orqa chetida joylashgan ba'zi deflektorlarning ishlashini nazorat qiladi. Shunday qilib, pervanel tomonidan ishlab chiqarilgan tebranishni zararsizlantiradigan aeroelastik reaktsiya paydo bo'ladi. Ikkala yechim ham haqiqiy CH-47D vertolyotida MiT Hower Test Sand deb nomlangan sinovda baholandi.
Morfingli strukturaviy elementlarning rivojlanishi murakkablikdagi tuzilmalarni loyihalashda yangi istiqbollarni ochadi, shu bilan birga ularning og'irligi va narxi sezilarli darajada kamayadi. Vibratsiyali darajadagi sezilarli pasayish quyidagilarga aylanadi: strukturaning ishlash muddatini uzaytiradi, strukturaning yaxlitligini tekshiradi, yakuniy dizaynning rentabelligini oshiradi, chunki konstruktsiyalar kamroq tebranishga, konforning oshishiga, parvoz ko'rsatkichlarining yaxshilanishiga va vertolyotlarda shovqinni boshqarishga imkon beradi.
NASA ma'lumotlariga ko'ra, kelgusi 20 yil ichida engilroq va ixcham bo'ladigan yuqori samarali samolyot tizimlariga ehtiyoj morfing dizaynidan kengroq foydalanishni talab qiladi.
O'z-o'zini davolash uchun materiallar
Aqlli materiallar sinfiga mansub o'z-o'zini davolaydigan materiallar mexanik stress yoki tashqi ta'sirlar natijasida etkazilgan zararni mustaqil ravishda tuzatishga qodir. Bu yangi materiallarni ishlab chiqishda ilhom manbai sifatida tabiiy va biologik tizimlar (masalan, o'simliklar, ba'zi hayvonlar, odam terisi va boshqalar) ishlatilgan (aslida ularni biotexnologik materiallar deb atashgan). Bugungi kunda o'z-o'zini davolaydigan materiallarni ilg'or kompozitsiyalar, polimerlar, metallar, keramika, korroziyaga qarshi qoplamalar va bo'yoqlardan topish mumkin. Vakuum, katta harorat farqlari, mexanik tebranishlar, kosmik nurlanish, shuningdek shikastlanishni kamaytirish bilan ajralib turadigan fazoviy ilovalarda (NASA va Evropa kosmik agentligi tomonidan keng ko'lamli tadqiqotlar olib borilmoqda) ularning qo'llanilishiga alohida e'tibor qaratiladi. kosmik chiqindilar va mikrometeoritlar bilan to'qnashuv natijasida yuzaga kelgan. Bundan tashqari, o'z-o'zini davolaydigan materiallar aviatsiya va mudofaa sanoati uchun juda zarur. Aerokosmik va harbiy sohalarda ishlatiladigan zamonaviy polimer kompozitlar mexanik, kimyoviy, termal, dushman olovi yoki bu omillarning kombinatsiyasi natijasida etkazilgan zararga sezgir. Ichki materiallarning shikastlanishini sezish va tuzatish qiyin bo'lgani uchun ideal echim nano va mikro darajadagi zararni bartaraf etish va materialni asl xossalari va holatiga qaytarish bo'ladi. Texnologiya tizimga asoslangan bo'lib, unga ko'ra, material ikki xil turdagi mikrokapsulalarni o'z ichiga oladi, ulardan biri o'z-o'zini davolaydigan komponentni, ikkinchisi esa ma'lum katalizatorni o'z ichiga oladi. Agar material shikastlangan bo'lsa, mikrokapsüllar vayron bo'ladi va ularning tarkibi bir -biri bilan reaksiyaga kirishib, zararni to'ldiradi va materialning yaxlitligini tiklaydi. Shunday qilib, bu materiallar zamonaviy samolyotlarning ilg'or kompozitsiyalarining xavfsizligi va chidamliligiga katta hissa qo'shadi, ayni paytda qimmatbaho faol kuzatuv yoki tashqi ta'mirlash va / yoki almashtirish zarurligini yo'q qiladi. Ushbu materiallarning xususiyatlariga qaramay, aerokosmik sanoati foydalanadigan materiallarning barqarorligini yaxshilashga ehtiyoj bor va bu rol uchun ko'p qatlamli uglerodli nanotubkalar va epoksi tizimlari taklif qilingan. Bu korroziyaga chidamli materiallar kompozitlarning tortishish kuchi va susaytiruvchi xususiyatlarini oshiradi va termal zarba qarshiligini o'zgartirmaydi. Seramika matritsali kompozitsion materialni ishlab chiqish ham qiziq - har bir kislorod molekulasini (shikastlanish natijasida materialga kirgan) past yopishqoqlikka ega bo'lgan kremniy -kislorodli zarrachaga aylantiradigan matritsa tarkibi, chunki u shikastlanishiga olib kelishi mumkin. kapillyar ta'siriga va ularni to'ldirish. NASA va Boeing aerokosmik tuzilmalardagi o'z-o'zidan tuzaladigan yoriqlarni ko'milgan mikrokapsulali polidimetilsiloksan elastomer matritsasi yordamida tajriba o'tkazmoqda.
O'z-o'zini davolaydigan materiallar zarb qilingan narsaning atrofidagi bo'shliqni yopish orqali zararni tuzatishga qodir. Shubhasiz, bunday imkoniyatlar zirhli mashinalar va tanklar uchun ham, shaxsiy himoya tizimlari uchun ham mudofaa darajasida o'rganilmoqda.
Harbiy qo'llanmalar uchun o'z-o'zini davolash materiallari faraziy shikastlanish bilan bog'liq o'zgaruvchilarni sinchkovlik bilan baholashni talab qiladi. Bunday holda, zararning shikastlanishi quyidagilarga bog'liq.
- o'q tufayli kinetik energiya (massa va tezlik);
- tizim dizaynlari (tashqi geometriya, materiallar, zirhlar) va
- to'qnashuv geometriyasini tahlil qilish (yig'ilish burchagi).
Shuni inobatga olgan holda, DARPA va AQSh armiyasi laboratoriyalari eng zamonaviy o'z-o'zini davolash materiallari bilan tajriba o'tkazmoqdalar. Ayniqsa, restorativ funktsiyalarni o'qning kirib borishi bilan boshlash mumkin, bu erda ballistik ta'sir materialning lokal isitilishiga olib keladi, bu esa o'z-o'zini davolashga imkon beradi.
O'z-o'zidan tuzaladigan oynani o'rganish va sinovlari juda qiziq, bunda ba'zi mexanik harakatlar natijasida paydo bo'lgan yoriqlar suyuqlik bilan to'ldiriladi. O'z-o'zidan tuzaladigan oynadan harbiy mashinalarning o'q o'tkazmaydigan old oynalarini ishlab chiqarishda foydalanish mumkin, bu esa askarlarga yaxshi ko'rinishni saqlashga imkon beradi. Shuningdek, u boshqa sohalarda, aviatsiya, kompyuter displeylari va boshqalarda ham ilovalarni topishi mumkin.
Kelajakdagi asosiy muammolardan biri - bu strukturaviy elementlar va qoplamalarda ishlatiladigan ilg'or materiallarning xizmat qilish muddatini uzaytirish. Quyidagi materiallar tekshirilmoqda:
-grafenga asoslangan o'z-o'zini davolaydigan materiallar (uglerod atomlarining bir qatlamidan tashkil topgan ikki o'lchovli yarimo'tkazgichli nanomaterial), - rivojlangan epoksi qatronlar, - quyosh nuri tushadigan materiallar;
- metall yuzalar uchun korroziyaga qarshi mikrokapsüllar, - o'q zarbasiga bardosh bera oladigan elastomerlar va
materialning ish faoliyatini yaxshilash uchun qo'shimcha komponent sifatida ishlatiladigan uglerodli nanotubalar.
Hozirgi vaqtda ushbu xususiyatlarga ega bo'lgan ko'plab materiallar eksperimental tarzda sinovdan o'tkazilmoqda.
Chiqish
Ko'p yillar davomida muhandislar ko'pincha kontseptual jihatdan istiqbolli loyihalarni taklif qilishgan, lekin ularni amaliy amalga oshirish uchun tegishli materiallarning etishmasligi tufayli ularni amalga oshira olishmagan. Bugungi kunda asosiy maqsad - ajoyib mexanik xususiyatlarga ega engil tuzilmalar yaratish. Zamonaviy materiallarning zamonaviy rivojlanishi (aqlli materiallar va nanokompozitlar), barcha murakkabliklarga qaramay, xarakteristikalar ko'pincha juda shuhratparast va ba'zida hatto qarama -qarshi bo'lganida ham asosiy rol o'ynaydi. Hozirgi vaqtda hamma narsa kaleydoskopik tezlik bilan o'zgarmoqda, chunki ishlab chiqarilishi endigina boshlanayotgan yangi material uchun tajriba va sinov o'tkazadigan keyingisi bor. Aerokosmik va mudofaa sanoati ushbu ajoyib materiallardan ko'p foyda ko'rishi mumkin.
