"Netradicionalni materijali" jedno je od najvažnijih područja razvoja tehnologije u vojnoj i zrakoplovnoj industriji. Materijali moraju biti više od toga da služe samo kao noseća konstrukcija - moraju biti pametni materijali
Pametni materijali su posebna klasa materijala koji imaju sposobnost djelovanja kao pokretač i senzor, pružajući potrebne mehaničke deformacije povezane s promjenama temperature, električne struje ili magnetskog polja. Budući da se kompozitni materijali sastoje od više materijala i zbog modernog tehnološkog napretka, sada je moguće uključiti i druge materijale (ili strukture) u proces pružanja integrirane funkcionalnosti u područjima kao što su:
- Morfiranje, - samoizlječenje, - Percepcija, - gromobranske zaštite, i
- Skladištenje energije.
U ovom ćemo se članku fokusirati na prve dvije oblasti.
Materijali za preslikavanje i strukture za oblikovanje
Materijali za preslikavanje uključuju one materijale koji, prateći ulazne signale, mijenjaju svoje geometrijske parametre i koji mogu vratiti svoj izvorni oblik kada vanjski signali prestanu.
Ovi se materijali, zbog reakcije u obliku promjene oblika, koriste kao pokretači, ali se mogu koristiti i na suprotan način, odnosno kao senzori u kojima se vanjski utjecaj na materijal pretvara u signal. Vazduhoplovna primjena ovih materijala je raznovrsna: senzori, aktuatori, prekidači u električnim instalacijama i aparatima, avionika i veze u hidrauličkim sistemima. Prednosti su: izuzetna pouzdanost, dug radni vijek, bez curenja, niski troškovi ugradnje i značajno smanjenje održavanja. Posebno su među aktuatorima izrađenim od materijala koji se mijenjaju i legura s memorijom oblika posebno aktuelni aktuatori za automatsko upravljanje zračnim sistemima za hlađenje i aktuatori za zatvaranje / otvaranje amortizera u kokpitu.
Materijali koji mijenjaju oblik kao posljedica primjene električnog polja uključuju piezoelektrične materijale (fenomen polarizacije materijala s kristalnom strukturom pod djelovanjem mehaničkih naprezanja (direktni piezoelektrični učinak) i mehaničke deformacije pod djelovanjem električnog polja (obrnuti piezoelektrični efekt)) i elektrostriktivni materijali. Razlika leži u odzivu na primijenjeno električno polje: piezoelektrični materijal se može produljiti ili skratiti, dok se elektrostrikcijski materijal samo produžava, bez obzira na smjer primijenjenog polja. U slučaju senzora, napon generiran mehaničkim naprezanjem mjeri se i obrađuje kako bi se dobile informacije o istom naprezanju. Ovi materijali s izravnim piezoelektričnim učinkom široko se koriste u senzorima ubrzanja i opterećenja, akustičnim senzorima. Ostali materijali zasnovani na obrnutom piezoelektričnom efektu koriste se u svim aktuatorima; često se koriste u optičkim sistemima za izviđačke satelite, jer su sposobni prilagoditi položaj leća i ogledala s nanometarskom preciznošću. Gore spomenuti materijali također su uključeni u strukture za promjenu radi izmjene određenih geometrijskih karakteristika i davanja tim strukturama posebnih dodatnih svojstava. Morph struktura (koja se naziva i pametna struktura ili aktivna struktura) sposobna je osjetiti promjene u vanjskim uvjetima uslijed rada senzora / elektromehaničkog pretvarača ugrađenog u nju. Na ovaj način (zbog prisutnosti jednog ili više mikroprocesora i energetske elektronike) mogu se izazvati odgovarajuće promjene u skladu s podacima koji dolaze sa senzora, dopuštajući strukturi da se prilagodi vanjskim promjenama. Takav aktivni nadzor primjenjiv je ne samo na vanjski ulazni signal (npr. Mehanički pritisak ili promjena oblika), već i na promjene unutrašnjih karakteristika (npr. Oštećenje ili kvar). Područje primjene je prilično široko i uključuje svemirske sisteme, avione i helikoptere (kontrola vibracija, buke, promjenu oblika, raspodjelu naprezanja i aeroelastičnu stabilnost), pomorske sisteme (brodove i podmornice), kao i zaštitne tehnologije.
Jedna od tendencija smanjenja vibracija (vibracija) koja se javlja u strukturnim sistemima je vrlo zanimljiva. Posebni senzori (koji se sastoje od višeslojne piezoelektrične keramike) postavljeni su na najopterećenije točke radi otkrivanja vibracija. Nakon analize signala izazvanih vibracijama, mikroprocesor šalje signal (proporcionalan analiziranom signalu) aktuatoru, koji reagira odgovarajućim pokretom sposobnim inhibirati vibracije. Ured američke vojske za primijenjenu zrakoplovnu tehnologiju i NASA testirali su slične aktivne sisteme kako bi smanjili vibracije nekih elemenata helikoptera CH-47, kao i repnih aviona lovca F-18. FDA je već počela integrirati aktivne materijale u lopatice rotora radi kontrole vibracija.
U konvencionalnom glavnom rotoru, lopatice pate od visokog nivoa vibracija uzrokovanih rotacijom i svim povezanim pojavama. Iz tog razloga, kako bi se smanjile vibracije i olakšala kontrola opterećenja koja djeluju na noževe, ispitana su aktivna sječiva s visokim kapacitetom savijanja. U posebnoj vrsti ispitivanja (nazvanom "ugrađeni krug uvijanja"), kada se promijeni napadni kut, oštrica se uvija po cijeloj dužini zahvaljujući aktivnom vlaknu kompozitu AFC (elektrokeramičko vlakno ugrađeno u mekanu polimernu matricu) integrirano u strukturu noža. Aktivna vlakna složena su slojevima, jedan sloj iznad drugog, na gornjoj i donjoj površini oštrice pod kutom od 45 stupnjeva. Rad aktivnih vlakana stvara raspodijeljeno naprezanje u oštrici, što uzrokuje odgovarajuće savijanje cijelog lista, što može uravnotežiti vibracije zamaha. Drugi test ("aktiviranje diskretnih zamaha") karakterizira široka upotreba piezoelektričnih mehanizama (aktuatora) za kontrolu vibracija: aktuatori su postavljeni u strukturu lopatica za kontrolu rada nekih deflektora koji se nalaze uz zadnji rub. Tako dolazi do aeroelastične reakcije koja može neutralizirati vibracije koje stvara propeler. Oba rješenja su ocijenjena na pravom helikopteru CH-47D u testu nazvanom MiT Hower Test Sand.
Razvoj morfirajućih strukturnih elemenata otvara nove perspektive u projektiranju konstrukcija povećane složenosti, dok su njihova težina i cijena značajno smanjeni. Značajno smanjenje nivoa vibracija prevodi se u: povećani vijek trajanja konstrukcije, manje provjera integriteta konstrukcije, povećanu isplativost konačnog dizajna jer su strukture podložne manjim vibracijama, veću udobnost, poboljšane performanse leta i kontrolu buke u helikopterima.
Prema NASA -i, očekuje se da će u sljedećih 20 godina potreba za zrakoplovnim sistemima visokih performansi koji će postati lakši i kompaktniji zahtijevati opsežniju upotrebu dizajna morfovanja.
Materijali za samoiscjeljivanje
Samoiscjeljujući materijali koji pripadaju klasi pametnih materijala mogu samostalno popraviti oštećenja uzrokovana mehaničkim stresom ili vanjskim utjecajima. Prilikom razvoja ovih novih materijala, prirodni i biološki sustavi (na primjer, biljke, neke životinje, ljudska koža itd.) Korišteni su kao izvor inspiracije (zapravo, u početku su se zvali biotehnološki materijali). Danas se samoiscjeljujući materijali mogu naći u naprednim kompozitima, polimerima, metalima, keramici, premazima i bojama protiv korozije. Poseban naglasak stavljen je na njihovu primjenu u svemirskim aplikacijama (istraživanja velikih razmjera provode NASA i Europska svemirska agencija), koje karakterizira vakuum, velike temperaturne razlike, mehaničke vibracije, kozmičko zračenje, kao i smanjenje oštećenja uzrokovane sudarima sa svemirskim ostacima i mikrometeoritima. Osim toga, materijali za samoiscjeljivanje neophodni su za zrakoplovnu i odbrambenu industriju. Savremeni polimerni kompoziti koji se koriste u vazduhoplovstvu i vojnoj primjeni podložni su oštećenjima uzrokovanim mehaničkim, hemijskim, termičkim, neprijateljskim požarima ili kombinacijom ovih faktora. Budući da je oštećenja unutar materijala teško uočiti i popraviti, idealno rješenje bilo bi ukloniti oštećenja nastala na nano i mikro nivou i vratiti materijal u njegova izvorna svojstva i stanje. Tehnologija se temelji na sistemu prema kojem materijal uključuje mikrokapsule dva različita tipa, od kojih jedan sadrži komponentu za samoliječenje, a drugi određeni katalizator. Ako je materijal oštećen, mikrokapsule se uništavaju i njihov sadržaj može međusobno reagirati, popunjavajući oštećenja i obnavljajući integritet materijala. Stoga ovi materijali uvelike doprinose sigurnosti i trajnosti naprednih kompozita u modernim zrakoplovima, dok istovremeno eliminiraju potrebu za skupim aktivnim praćenjem ili vanjskim popravcima i / ili zamjenama. Uprkos karakteristikama ovih materijala, postoji potreba za poboljšanjem održivosti materijala koje koristi vazduhoplovna industrija, pa se za tu ulogu predlažu višeslojne ugljenične nanocevi i epoksidni sistemi. Ovi materijali otporni na koroziju povećavaju vlačnu čvrstoću i svojstva prigušenja kompozita i ne mijenjaju otpornost na toplinski udar. Zanimljivo je i razviti kompozitni materijal s keramičkom matricom - sastav matrice koji pretvara svaku molekulu kisika (prodire u materijal kao posljedicu oštećenja) u česticu silicija i kisika niske viskoznosti, koja se može pretvoriti u oštećenja uslijed oštećenja do kapilarnog efekta i napuni ih. NASA i Boeing eksperimentiraju sa samozdravljujućim pukotinama u zrakoplovnim strukturama koristeći polidimetilsiloksansku elastomernu matricu s ugrađenim mikrokapsulama.
Materijali za samoiscjeljivanje mogu popraviti oštećenja zatvaranjem razmaka oko probušenog predmeta. Očigledno se takve sposobnosti proučavaju na nivou odbrane, kako za oklopna vozila i tenkove, tako i za sisteme lične zaštite.
Materijali za samoiscjeljivanje za vojne primjene zahtijevaju pažljivu procjenu varijabli povezanih s hipotetičkim oštećenjima. U ovom slučaju šteta od udara ovisi o:
- kinetička energija nastala zbog metka (masa i brzina), - dizajn sistema (vanjska geometrija, materijali, oklopi), i
- geometrijska analiza sudara (kut susreta).
Imajući to na umu, DARPA i Laboratorije američke vojske eksperimentiraju s najnaprednijim materijalima za samoiscjeljivanje. Konkretno, restorativne funkcije mogu se pokrenuti probijanjem metka gdje balistički udar uzrokuje lokalizirano zagrijavanje materijala, čineći samoizlječenje mogućim.
Vrlo su zanimljiva proučavanja i ispitivanja samoobnavljajućeg stakla u kojima se pukotine uzrokovane mehaničkim djelovanjem ispunjavaju tekućinom. Staklo za samoliječenje može se koristiti u proizvodnji neprobojnih vjetrobranskih stakala vojnih vozila, što bi vojnicima omogućilo dobru vidljivost. Također može pronaći primjenu u drugim poljima, zrakoplovstvu, računalnim ekranima itd.
Jedan od budućih velikih izazova je produžiti vijek trajanja naprednih materijala koji se koriste u konstrukcijskim elementima i premazima. Istražuju se sljedeći materijali:
-samoiscjeljujući materijali na bazi grafena (dvodimenzionalni poluvodički nanomaterijal koji se sastoji od jednog sloja ugljikovih atoma), - napredne epoksidne smole, - materijali izloženi sunčevoj svjetlosti, - mikrokapsule protiv korozije za metalne površine, - elastomeri sposobni izdržati udar metaka, i
ugljične nanocijevi koje se koriste kao dodatna komponenta za poboljšanje performansi materijala.
Značajan broj materijala s ovim karakteristikama trenutno se ispituje i eksperimentalno istražuje.
Output
Inženjeri su dugi niz godina često predlagali konceptualno obećavajuće projekte, ali ih nisu mogli realizirati zbog nedostupnosti odgovarajućih materijala za njihovu praktičnu provedbu. Danas je glavni cilj stvaranje lakih konstrukcija s izvanrednim mehaničkim svojstvima. Savremeni napredak u savremenim materijalima (pametni materijali i nanokompoziti) igra ključnu ulogu, uprkos složenosti, kada su karakteristike često vrlo ambiciozne, a ponekad čak i kontradiktorne. Trenutno se sve mijenja kaleidoskopskom brzinom, za novi materijal čija proizvodnja tek počinje, postoji sljedeći na kojem provode eksperimente i testiraju. Vazdušno -kosmička i odbrambena industrija mogu izvući mnoge koristi od ovih neverovatnih materijala.
