«Дәстүрлі емес материалдар»-әскери және аэроғарыш өнеркәсібіндегі технологияларды дамытудың маңызды бағыттарының бірі. Материалдар тірек құрылым ретінде ғана емес, сонымен қатар ақылды материалдар болуы керек
Ақылды материалдар - бұл температураның, электр тогының немесе магнит өрісінің өзгеруіне байланысты қажетті механикалық деформацияларды қамтамасыз ететін, атқарушы және сенсорлық қасиеттері бар материалдардың арнайы класы. Композициялық материалдар бірнеше материалдан тұратындықтан және қазіргі заманғы технологиялық прогрестің арқасында енді келесі салаларда интеграцияланған функционалдылықты қамтамасыз ету процесіне басқа материалдарды (немесе конструкцияларды) қосуға болады:
- Морфинг, - өзін-өзі емдеуге, - қабылдау, - Найзағайдан қорғау және
- Энергияны сақтау.
Біз осы мақалада алғашқы екі салаға тоқталамыз.
Морфингтік материалдар мен құрылымдық құрылымдар
Морфингтік материалдарға кіріс сигналдарынан кейін геометриялық параметрлерін өзгертетін және сыртқы сигналдар тоқтағанда бастапқы пішінін қалпына келтіруге қабілетті материалдар жатады.
Бұл материалдар пішінінің өзгеруі түріндегі реакциясына байланысты қоздырғыш ретінде қолданылады, бірақ оларды керісінше қолдануға болады, яғни материалға сыртқы әсер етушіге айналатын датчиктер ретінде. сигнал. Бұл материалдардың аэроғарыштық қолданылуы әр түрлі: датчиктер, жетектер, электр қондырғылары мен аппараттардағы қосқыштар, авионика және гидравликалық жүйелердегі қосылыстар. Артықшылықтары: айрықша сенімділік, ұзақ қызмет ету мерзімі, ағып кетпеуі, орнатудың төмен құны және техникалық қызмет көрсетудің айтарлықтай төмендеуі. Атап айтқанда, морфинг материалдары мен пішінді есте сақтау қорытпаларынан жасалған жетектер арасында авионикалық салқындату жүйелерін автоматты басқаруға арналған жетектер мен кокпит кондиционерлеу жүйесіндегі бағыттағыш демпферлерді жабу / ашуға арналған жетектер ерекше қызығушылық тудырады.
Электр өрісін қолдану нәтижесінде пішінін өзгертетін материалдарға пьезоэлектрлік материалдар (механикалық кернеулер әсерінен кристалды құрылымы бар материалдардың поляризациялану құбылысы (тікелей пьезоэлектрлік әсер) және электр өрісінің әсерінен механикалық деформациялар жатады) кері пьезоэлектрлік эффект)) және электростриктивті материалдар. Айырмашылық қолданбалы электр өрісінің әсерінен болады: пьезоэлектрлік материал ұзаруы немесе қысқаруы мүмкін, ал электростриктивті материал қолданылған өрістің бағытына қарамастан ұзарады. Датчиктер жағдайында механикалық кернеуден туындайтын кернеу сол кернеу туралы ақпарат алу үшін өлшенеді және өңделеді. Бұл пьезоэлектрлік эффектісі бар материалдар үдеу мен жүктеме датчиктерінде, акустикалық датчиктерде кеңінен қолданылады. Барлық жетектерде кері пьезоэлектрлік әсерге негізделген басқа материалдар қолданылады; олар көбінесе спутниктерді барлаудың оптикалық жүйелерінде қолданылады, себебі олар линометр мен айна орналасуын нанометрлік дәлдікпен реттеуге қабілетті. Жоғарыда аталған материалдар белгілі бір геометриялық сипаттамаларды өзгерту және осы құрылымдарға арнайы қосымша қасиеттер беру үшін морфингтік құрылымдарға енгізілген. Морф құрылымы (ақылды құрылым немесе белсенді құрылым деп те аталады) оған орнатылған датчик / электромеханикалық түрлендіргіш жүйесінің жұмысына байланысты сыртқы жағдайлардың өзгеруін сезуге қабілетті. Осылайша (бір немесе бірнеше микропроцессорлар мен қуатты электрониканың болуына байланысты) құрылымның сыртқы өзгерістерге бейімделуіне мүмкіндік беретін датчиктерден келетін мәліметтерге сәйкес тиісті өзгерістер енгізуге болады. Мұндай белсенді бақылау тек сыртқы кіріс сигналына (мысалы, механикалық қысым немесе пішіннің өзгеруі) ғана емес, сонымен қатар ішкі сипаттамалардың өзгеруіне де қатысты (мысалы, зақым немесе ақаулық). Қолдану аясы өте кең және ғарыштық жүйелер, ұшақтар мен тікұшақтар (дірілді, шуды, пішіннің өзгеруін бақылау, кернеудің таралуы мен аэро -серпімді тұрақтылықты), теңіз жүйелерін (кемелер мен сүңгуір қайықтар), сондай -ақ қорғаныс технологияларын қамтиды.
Құрылымдық жүйелерде пайда болатын дірілді (дірілді) төмендету тенденцияларының бірі өте қызықты. Арнайы датчиктер (көп қабатты пьезоэлектрлік керамикадан тұрады) тербелісті анықтау үшін ең кернеулі нүктелерге қойылады. Дірілмен байланысты сигналдарды талдағаннан кейін микропроцессор сигналды (талданатын сигналға пропорционалды) жетекке жібереді, ол дірілді тежеуге қабілетті сәйкес қозғалыспен жауап береді. АҚШ армиясының қолданбалы авиациялық технологиялар басқармасы мен НАСА Ч-47 тікұшағының кейбір элементтерінің, сондай-ақ F-18 истребителінің құйрық ұшақтарының тербелісін азайту үшін ұқсас белсенді жүйелерді сынақтан өткізді. FDA дірілді бақылау үшін белсенді материалдарды роторлы қалақтарға біріктіре бастады.
Кәдімгі негізгі роторда пышақтар айналу мен оған байланысты барлық құбылыстардан туындаған жоғары дірілден зардап шегеді. Осы себепті және дірілді азайту және пышақтарға әсер ететін жүктемені басқаруды жеңілдету үшін иілу қабілеті жоғары белсенді пышақтар сыналды. Сынақтың арнайы түрінде («ендірілген бұралу тізбегі» деп аталады) шабуыл бұрышы өзгергенде, пышақ белсенді талшықты композициялық AFC (жұмсақ полимерлі матрицаға ендірілген электр-керамикалық талшық) арқасында бүкіл ұзындығы бойынша бұралады. пышақтың құрылымына енеді. Белсенді талшықтар пышақтың үстіңгі және астыңғы беттерінде 45 градус бұрышта қабаттармен қабаттасады. Белсенді талшықтардың жұмысы пышақта таралған кернеуді тудырады, бұл пышақтың бүкіл бойында сәйкес иілуді тудырады, ол тербеліс тербелісін теңестіре алады. Тағы бір сынақ («дискретті бұрылыстардың қосылуы») дірілді басқару үшін пьезоэлектрлік механизмдердің (қозғағыштардың) кеңінен қолданылуымен сипатталады: жетектер артқы жиектің бойында орналасқан кейбір дефлекторлардың жұмысын бақылау үшін пышақ құрылымына орналастырылады. Осылайша, пропеллер тудыратын дірілді бейтараптай алатын аэроэластикалық реакция пайда болады. Екі шешім де нақты CH-47D тікұшағында MiT Hower Test Sand деп аталатын сынақта бағаланды.
Морфингтік құрылымдық элементтердің дамуы күрделілігі жоғарылаған конструкцияларды жобалауда жаңа перспективаларды ашады, ал олардың салмағы мен құны айтарлықтай төмендейді. Діріл деңгейінің айтарлықтай төмендеуі мынаны білдіреді: құрылымның қызмет ету мерзімін ұлғайту, құрылымның тұтастығын тексеруді азайту, конструкциялардың аз дірілге ұшырауы, жайлылықтың жоғарылауы, ұшу өнімділігінің жақсаруы және тікұшақтардағы шуды бақылау.
NASA мәліметтері бойынша, алдағы 20 жылда жеңіл және ықшам болатын жоғары өнімді ұшақтар жүйелерінің қажеттілігі морфингтік конструкцияларды кеңінен қолдануды талап етеді деп күтілуде.
Өзін-өзі емдеуге арналған материалдар
Ақылды материалдар класына жататын өзін-өзі емдейтін материалдар механикалық кернеуден немесе сыртқы әсерден болатын зақымдарды дербес жөндей алады. Бұл жаңа материалдарды әзірлеу кезінде табиғи және биологиялық жүйелер (мысалы, өсімдіктер, кейбір жануарлар, адамның терісі және т.б.) шабыт көзі ретінде пайдаланылды (шын мәнінде бастапқыда олар биотехнологиялық материалдар деп аталды). Бүгінде өзін-өзі емдейтін материалдарды жетілдірілген композиттерден, полимерлерден, металдардан, керамикадан, коррозияға қарсы жабындардан және бояулардан табуға болады. Вакууммен, температураның үлкен айырмашылығымен, механикалық тербелістермен, ғарыштық сәулеленумен, сондай-ақ зақымдануды төмендетуге арналған ғарыштық қосымшаларда (масштабты зерттеулерді NASA мен Еуропалық ғарыш агенттігі жүргізеді) ерекше назар аударылады. ғарыштық қоқыстар мен микрометеориттердің соқтығысуынан туындады. Сонымен қатар, өзін-өзі емдейтін материалдар авиация мен қорғаныс өнеркәсібі үшін өте қажет. Аэроғарыштық және әскери мақсаттарда қолданылатын заманауи полимерлі композициялар механикалық, химиялық, термиялық, жаудың отынан немесе осы факторлардың жиынтығынан болатын зақымға сезімтал. Материалдардың ішіндегі зақымдарды байқау және жөндеу қиын болғандықтан, идеалды шешім нано және микродеңгейде болған зақымдарды жою және материалды бастапқы қасиеттері мен күйіне келтіру болады. Технология жүйеге негізделген, оған сәйкес материал екі түрдегі микрокапсулаларды қамтиды, олардың бірінде өзін-өзі емдейтін компонент, ал екіншісінде катализатор. Егер материал зақымдалған болса, микрокапсулалар жойылады және олардың құрамы бір -бірімен әрекеттесе алады, бүлінуді толтырады және материалдың тұтастығын қалпына келтіреді. Осылайша, бұл материалдар қазіргі заманғы ұшақтардағы озық композиттердің қауіпсіздігі мен беріктігіне үлкен үлес қосады, сонымен қатар қымбат тұратын белсенді бақылауды немесе сыртқы жөндеуді және / немесе ауыстыруды қажет етпейді. Бұл материалдардың сипаттамаларына қарамастан, аэроғарыш өнеркәсібінде қолданылатын материалдардың тұрақтылығын жақсарту қажеттілігі туындайды, және бұл рөлге көп қабатты көміртекті нанотүтіктер мен эпоксидті жүйелер ұсынылады. Бұл коррозияға төзімді материалдар композиттің созылу беріктігі мен демпферлік қасиеттерін арттырады және термиялық соққыға төзімділікті өзгертпейді. Керамикалық матрицасы бар композиттік материалды әзірлеу қызықты - матрицалық композиция әрбір оттегі молекуласын (зақымдану нәтижесінде материалға енген) төмен тұтқырлығы бар кремний -оттегі бөлшегіне айналдырады, ол зақымдануға әкелуі мүмкін. капиллярлық әсерге жетеді және оларды толтырады. NASA мен Boeing ендірілген микрокапсулалары бар полидиметилсилоксанды эластомер матрицасын қолдана отырып, аэроғарыштық құрылымдардағы жарықтардың өзін-өзі емдеуге тәжірибе жасап жатыр.
Өзін-өзі емдейтін материалдар тесілген заттың айналасындағы саңылауды жабу арқылы зақымдануды жөндеуге қабілетті. Әлбетте, мұндай мүмкіндіктер қару -жарақ техникасы мен танктер үшін де, жеке қорғаныс жүйелері үшін де қорғаныс деңгейінде зерттелуде.
Әскери қолдануға арналған өзін-өзі емдейтін материалдар гипотетикалық зақымға байланысты айнымалыларды мұқият бағалауды қажет етеді. Бұл жағдайда соққының зақымдануы мыналарға байланысты:
- оқтың әсерінен кинетикалық энергия (массасы мен жылдамдығы), - жүйелік конструкциялар (сыртқы геометрия, материалдар, бронь) және
- соқтығысу геометриясын талдау (кездесу бұрышы).
Осыны ескере отырып, DARPA мен АҚШ армия зертханалары өзін-өзі емдейтін ең озық материалдармен тәжірибе жүргізуде. Атап айтқанда, қалпына келтіру функциялары оқтың енуінен басталуы мүмкін, онда баллистикалық әсер материалдың локализацияланған қызуын тудырады, бұл өзін-өзі емдеуге мүмкіндік береді.
Өзін-өзі емдейтін әйнектің зерттеулері мен сынақтары өте қызықты, онда кейбір механикалық әсерден пайда болған жарықтар сұйықтықпен толтырылады. Өзін-өзі емдейтін әйнекті әскери техниканың оқ өткізбейтін әйнектерін өндіруде қолдануға болады, бұл сарбаздарға жақсы көрінуді сақтауға мүмкіндік береді. Ол басқа салаларда, авиацияда, компьютерлік дисплейлерде және т.
Келешектегі басты міндеттердің бірі - конструкциялық элементтер мен жабындарда қолданылатын озық материалдардың қызмет ету мерзімін ұзарту. Келесі материалдар зерттелуде:
-графенге негізделген өзін-өзі емдейтін материалдар (көміртек атомдарының бір қабатынан тұратын екіөлшемді жартылай өткізгіш наноматериал), - жетілдірілген эпоксидті шайырлар, - күн сәулесі түсетін материалдар;
- металл беттерге арналған коррозияға қарсы микрокапсулалар, - оқтың әсеріне төтеп беруге қабілетті эластомерлер және
материалдың өнімділігін жақсарту үшін қосымша компонент ретінде пайдаланылатын көміртекті нанотүтіктер.
Осы сипаттамалары бар материалдардың едәуір бөлігі қазіргі уақытта эксперименталды түрде тексеріліп, зерттелуде.
Шығу
Көптеген жылдар бойы инженерлер жиі тұжырымдамалық перспективалы жобаларды ұсынды, бірақ оларды практикалық іске асыру үшін тиісті материалдардың жетіспеушілігінен оларды жүзеге асыра алмады. Бүгінгі таңда басты мақсат - керемет механикалық қасиеттері бар жеңіл құрылымдар жасау. Қазіргі заманғы материалдардың заманауи прогресі (ақылды материалдар мен нанокомпозиттер) барлық күрделілікке қарамастан, сипаттамалар көбінесе өте өршіл, кейде тіпті қарама -қайшы болған кезде шешуші рөл атқарады. Қазіргі кезде бәрі калейдоскопиялық жылдамдықпен өзгеруде, өндірісі енді басталып жатқан жаңа материал үшін келесіде олар эксперименттер мен сынақтар жүргізеді. Аэроғарыштық және қорғаныс өнеркәсібі осы таңғажайып материалдардан көптеген артықшылықтар ала алады.
