"Utraditionella material" är ett av de viktigaste områdena inom teknikutveckling inom militär- och rymdindustrin. Material måste göra mer än att bara fungera som en bärande struktur - de måste vara smarta material
Smarta material är en särskild klass av material som har förmågan att fungera som ett ställdon och som en sensor, vilket ger de nödvändiga mekaniska deformationerna i samband med förändringar i temperatur, elektrisk ström eller magnetfält. Eftersom kompositmaterial består av mer än ett material och på grund av moderna tekniska framsteg är det nu möjligt att inkludera andra material (eller strukturer) i processen att tillhandahålla integrerad funktionalitet inom områden som:
- Morphing, - Självläkande, - Uppfattning, - Blixtskydd, och
- Energilagring.
Vi kommer att fokusera på de två första områdena i den här artikeln.
Morphing material och morphing strukturer
Morphing -material inkluderar material som, efter insignalerna, ändrar sina geometriska parametrar och som kan återställa sin ursprungliga form när externa signaler stannar.
Dessa material, på grund av deras reaktion i form av en formändring, används som ställdon, men de kan också användas på motsatt sätt, det vill säga som sensorer i vilka ett yttre inflytande på materialet omvandlas till en signal. Aerospace tillämpningar av dessa material är varierande: sensorer, ställdon, switchar i elektriska installationer och apparater, avionik och anslutningar i hydrauliska system. Fördelarna är: exceptionell tillförlitlighet, lång livslängd, inga läckor, låga installationskostnader och en betydande minskning av underhållet. I synnerhet bland ställdon gjorda av omvandlande material och formminneslegeringar är manövreringsorgan för automatisk styrning av avionikkylsystem och ställdon för stängning / öppning av styrspjäll i cockpit luftkonditioneringssystem av särskilt intresse.
Material som ändrar form som ett resultat av appliceringen av ett elektriskt fält inkluderar piezoelektriska material (fenomenet polarisering av material med en kristallin struktur under påverkan av mekaniska påfrestningar (direkt piezoelektrisk effekt) och mekaniska deformationer under verkan av ett elektriskt fält (omvänd piezoelektrisk effekt)) och elektrostriktiva material. Skillnaden ligger i svaret på ett applicerat elektriskt fält: ett piezoelektriskt material kan förlängas eller förkortas, medan ett elektrostriktivt material bara förlängs, oavsett riktningen för det applicerade fältet. När det gäller sensorer mäts och bearbetas spänningen som genereras av mekanisk spänning för att få information om samma spänning. Dessa material med direkt piezoelektrisk effekt används ofta i accelerations- och lastsensorer, akustiska sensorer. Andra material baserade på den omvända piezoelektriska effekten används i alla ställdon; de används ofta i optiska system för spaningssatelliter, eftersom de kan justera positionen för linser och speglar med nanometerprecision. De ovannämnda materialen ingår också i morfstrukturer för att ändra vissa geometriska egenskaper och ge dessa strukturer speciella ytterligare egenskaper. En morfstruktur (även kallad en smart struktur eller aktiv struktur) kan känna av förändringar i yttre förhållanden på grund av funktionen av sensorn / elektromekaniska givarsystemet inbyggt i det. På detta sätt (på grund av närvaron av en eller flera mikroprocessorer och kraftelektronik) kan lämpliga förändringar induceras i enlighet med data från sensorerna, så att strukturen kan anpassa sig till yttre förändringar. Sådan aktiv övervakning är tillämplig inte bara på en extern insignal (t.ex. mekaniskt tryck eller formändring), utan också på förändringar i interna egenskaper (t.ex. skada eller fel). Tillämpningsområdet är ganska brett och inkluderar rymdsystem, flygplan och helikoptrar (kontroll av vibrationer, buller, formförändringar, spänningsfördelning och aeroelastisk stabilitet), marina system (fartyg och ubåtar) samt skyddsteknik.
En av tendenser att minska vibrationer (vibrationer) som uppstår i konstruktionssystem är mycket intressant. Speciella sensorer (bestående av flerskiktad piezoelektrisk keramik) placeras vid de mest stressade punkterna för att detektera vibrationer. Efter analys av de vibrationsinducerade signalerna sänder mikroprocessorn en signal (proportionell mot den analyserade signalen) till ställdonet, som svarar med en lämplig rörelse som kan hämma vibrationer. Den amerikanska arméns kontor för tillämpad luftfartsteknik och NASA har testat liknande aktiva system för att minska vibrationer i vissa delar av CH-47-helikoptern, såväl som svansplanen för F-18-jaktplanet. FDA har redan börjat integrera aktiva material i rotorblad för att kontrollera vibrationer.
I en konventionell huvudrotor lider bladen av höga vibrationsnivåer orsakade av rotation och alla relaterade fenomen. Av denna anledning, och för att minska vibrationer och underlätta kontroll av lasterna som verkar på bladen, testades aktiva blad med hög böjningskapacitet. I en speciell typ av test (kallad "inbäddad vridningskrets"), när angreppsvinkeln ändras, vrids bladet i hela dess längd tack vare den aktiva fiberkomposit AFC (elektrokeramisk fiber inbäddad i en mjuk polymermatris) integrerad in i bladstrukturen. De aktiva fibrerna staplas i lager, ett lager ovanför det andra, på bladets övre och nedre ytor i en vinkel på 45 grader. De aktiva fibrernas arbete skapar en fördelad spänning i bladet, vilket orsakar en motsvarande böjning genom hela bladet, vilket kan balansera svängningsvibrationerna. Ett annat test ("aktivering av diskreta svängningar") kännetecknas av den utbredda användningen av piezoelektriska mekanismer (ställdon) för vibrationskontroll: ställdon placeras i bladstrukturen för att styra driften av vissa deflektorer som ligger längs bakkanten. Således uppstår en aeroelastisk reaktion som kan neutralisera vibrationen som genereras av propellern. Båda lösningarna utvärderades på en riktig CH-47D-helikopter i ett test som kallas MiT Hower Test Sand.
Utvecklingen av morphing strukturella element öppnar nya perspektiv i utformningen av strukturer med ökad komplexitet, medan deras vikt och kostnad minskas avsevärt. En markant minskning av vibrationsnivåer innebär: ökad strukturlivslängd, färre strukturella integritetskontroller, ökad lönsamhet för slutliga konstruktioner eftersom strukturer utsätts för mindre vibrationer, ökad komfort, förbättrad flygprestanda och bullerkontroll i helikoptrar.
Enligt NASA förväntas det att behovet av högpresterande flygplan som kommer att bli lättare och mer kompakt kommer att kräva mer omfattande användning av morphing -konstruktioner under de närmaste 20 åren.
Självläkande material
Självläkande material som tillhör klassen smarta material kan självständigt reparera skador orsakade av mekanisk påfrestning eller yttre påverkan. Vid utvecklingen av dessa nya material användes naturliga och biologiska system (till exempel växter, vissa djur, människohud etc.) som inspirationskälla (i själva verket kallades de i början biotekniska material). Idag finns självläkande material i avancerade kompositer, polymerer, metaller, keramik, korrosionsskyddande beläggningar och färger. Särskild vikt läggs vid deras tillämpning i rymdapplikationer (storskalig forskning utförs av NASA och European Space Agency), som kännetecknas av vakuum, stora temperaturskillnader, mekaniska vibrationer, kosmisk strålning samt för att minska skador orsakas av kollisioner med rymdskräp och mikrometeoriter. Dessutom är självläkande material avgörande för flyg- och försvarsindustrin. Moderna polymerkompositer som används inom rymd- och militära tillämpningar är mottagliga för skador orsakade av mekanisk, kemisk, termisk, fiendisk eld eller en kombination av dessa faktorer. Eftersom skador inuti material är svåra att märka och reparera, skulle den idealiska lösningen vara att eliminera skadorna som har uppstått på nano- och mikronivå och återställa materialet till dess ursprungliga egenskaper och skick. Tekniken är baserad på ett system enligt vilket materialet innehåller mikrokapslar av två olika typer, en som innehåller en självläkande komponent och den andra en viss katalysator. Om materialet skadas förstörs mikrokapslarna och deras innehåll kan reagera med varandra, fylla skadan och återställa materialets integritet. Således bidrar dessa material starkt till säkerheten och hållbarheten för avancerade kompositer i moderna flygplan, samtidigt som behovet av kostsam aktiv övervakning eller extern reparation och / eller utbyte elimineras. Trots egenskaperna hos dessa material finns det ett behov av att förbättra underhållet av material som används inom rymdindustrin, och flernagiga kolnanorör och epoxisystem föreslås för denna roll. Dessa korrosionsbeständiga material ökar draghållfastheten och dämpningsegenskaperna hos kompositerna och förändrar inte värmechockbeständigheten. Det är också intressant att utveckla ett kompositmaterial med en keramisk matris - en matriskomposition som omvandlar varje syremolekyl (tränger in i materialet som en följd av skada) till en kisel -syre -partikel med låg viskositet, som kan strömma in i skador pga. till kapilläreffekten och fyll dem. NASA och Boeing experimenterar med självläkande sprickor i rymdstrukturer med hjälp av en polydimetylsiloxanelastomermatris med inbäddade mikrokapslar.
Självläkande material kan reparera skador genom att stänga gapet runt det stansade föremålet. Uppenbarligen studeras sådana förmågor på försvarsnivå, både för pansarfordon och stridsvagnar och för personliga skyddssystem.
Självläkande material för militära tillämpningar kräver noggrann utvärdering av de variabler som är förknippade med hypotetisk skada. I detta fall beror stötskadan på:
- rörelseenergi på grund av kulan (massa och hastighet), - systemdesigner (extern geometri, material, rustning) och
- kollisionsgeometri analys (mötesvinkel).
Med detta i åtanke experimenterar DARPA och US Army Laboratories med de mest avancerade självläkande materialen. I synnerhet kan återställande funktioner initieras genom kulpenetration där den ballistiska påverkan orsakar lokal uppvärmning av materialet, vilket möjliggör självläkning.
Studier och tester av självläkande glas är mycket intressanta, där sprickor orsakade av mekanisk verkan fylls med vätska. Självläkande glas kan användas vid tillverkning av skottsäkra vindrutor på militära fordon, vilket gör att soldater kan bibehålla god sikt. Det kan också hitta applikationer inom andra områden, luftfart, datorskärmar etc.
En av de framtida stora utmaningarna är att förlänga livslängden för avancerade material som används i konstruktionselement och beläggningar. Följande material undersöks:
-självläkande material baserade på grafen (tvådimensionellt halvledarnanomaterial bestående av ett lager kolatomer), - avancerade epoxihartser, - material som utsätts för solljus, - Mikrokapslar mot korrosion för metallytor, - elastomerer som klarar kulpåverkan, och
kolnanorör som används som en extra komponent för att förbättra materialets prestanda.
Ett betydande antal material med dessa egenskaper testas och undersöks för närvarande experimentellt.
Produktion
Under många år föreslog ingenjörer ofta konceptuellt lovande projekt, men kunde inte genomföra dem på grund av att det inte var tillgängligt med lämpligt material för deras praktiska genomförande. Idag är huvudmålet att skapa lätta konstruktioner med enastående mekaniska egenskaper. Moderna framsteg i moderna material (smarta material och nanokompositer) spelar en nyckelroll, trots all komplexitet, när egenskaperna ofta är mycket ambitiösa och ibland till och med motsägelsefulla. För närvarande förändras allt med en kalejdoskopisk hastighet, för ett nytt material, vars produktion bara har börjat, finns det ett nästa, på vilket de utför experiment och testar. Flyg- och försvarsindustrin kan dra många fördelar av dessa fantastiska material.
