„Netradiční materiály“jsou jednou z nejdůležitějších oblastí vývoje technologií ve vojenském a leteckém průmyslu. Materiály musí dělat více než jen sloužit jako podpůrná struktura - musí to být chytré materiály
Chytré materiály jsou speciální třídou materiálů, které mají schopnost působit jako akční člen a jako snímač a zajišťují nezbytné mechanické deformace spojené se změnami teploty, elektrického proudu nebo magnetického pole. Vzhledem k tomu, že kompozitní materiály jsou složeny z více než jednoho materiálu a vzhledem k modernímu technologickému pokroku je nyní možné zahrnout další materiály (nebo struktury) do procesu poskytování integrovaných funkcí v oblastech, jako jsou:
- Morfování, - Samoléčení, - Vnímání, - Ochrana před bleskem, a
- Úschovna energie.
V tomto článku se zaměříme na první dvě oblasti.
Morfovací materiály a morfovací struktury
Morfovací materiály zahrnují ty materiály, které po vstupních signálech mění své geometrické parametry a které jsou schopné obnovit svůj původní tvar, když se externí signály zastaví.
Tyto materiály se díky své reakci ve formě změny tvaru používají jako akční členy, ale lze je použít i opačně, tj. Jako senzory, ve kterých se vnější vliv na materiál transformuje na signál. Letecké aplikace těchto materiálů jsou různé: senzory, akční členy, spínače v elektrických instalacích a zařízeních, avionika a spojení v hydraulických systémech. Výhody jsou: výjimečná spolehlivost, dlouhá životnost, žádné netěsnosti, nízké náklady na instalaci a výrazné snížení údržby. Zejména mezi akčními členy vyrobenými z tvarovacích materiálů a slitin s tvarovou pamětí jsou zvláště zajímavé ovladače pro automatické ovládání chladicích systémů avioniky a ovladače pro zavírání / otevírání vodicích klapek v klimatizačních systémech kokpitu.
Mezi materiály, které mění tvar v důsledku aplikace elektrického pole, patří piezoelektrické materiály (fenomén polarizace materiálů s krystalickou strukturou působením mechanických napětí (přímý piezoelektrický efekt) a mechanické deformace působením elektrického pole (reverzní piezoelektrický efekt) a elektrostrikční materiály. Rozdíl spočívá v reakci na aplikované elektrické pole: piezoelektrický materiál se může prodloužit nebo zkrátit, zatímco elektrostrikční materiál se prodlouží pouze bez ohledu na směr aplikovaného pole. V případě senzorů se napětí generované mechanickým napětím měří a zpracovává za účelem získání informací o stejném napětí. Tyto materiály s přímým piezoelektrickým efektem jsou široce používány v senzorech zrychlení a zatížení, akustických senzorech. Ve všech akčních členech jsou použity jiné materiály založené na reverzním piezoelektrickém jevu; často se používají v optických systémech pro průzkumné satelity, protože jsou schopné upravit polohu čoček a zrcadel s nanometrovou přesností. Výše uvedené materiály jsou také zahrnuty v morfovacích strukturách, aby se změnily určité geometrické charakteristiky a dodaly těmto strukturám speciální dodatečné vlastnosti. Morfová struktura (také nazývaná inteligentní struktura nebo aktivní struktura) je schopna snímat změny vnějších podmínek v důsledku činnosti systému senzor / elektromechanický měnič zabudovaný v něm. Tímto způsobem (vzhledem k přítomnosti jednoho nebo více mikroprocesorů a výkonové elektroniky) lze indukovat příslušné změny v souladu s daty přicházejícími ze senzorů, což umožňuje struktuře přizpůsobit se vnějším změnám. Takové aktivní monitorování je použitelné nejen na externí vstupní signál (např. Mechanický tlak nebo změna tvaru), ale také na změny vnitřních charakteristik (např. Poškození nebo porucha). Rozsah použití je poměrně široký a zahrnuje vesmírné systémy, letadla a helikoptéry (řízení vibrací, hluku, změny tvaru, rozložení napětí a aeroelastická stabilita), námořní systémy (lodě a ponorky) a také ochranné technologie.
Jedna z tendencí ke snížení vibrací (vibrací), ke kterým dochází ve strukturálních systémech, je velmi zajímavá. Speciální senzory (skládající se z vícevrstvé piezoelektrické keramiky) jsou umístěny v nejvíce namáhaných bodech, aby detekovaly vibrace. Po analýze signálů vyvolaných vibracemi mikroprocesor vyšle signál (úměrný analyzovanému signálu) do akčního členu, který odpoví vhodným pohybem, který je schopen tlumit vibrace. Americký úřad pro aplikovanou leteckou technologii a NASA testovali podobné aktivní systémy za účelem snížení vibrací některých prvků vrtulníku CH-47, jakož i ocasních letadel stíhačky F-18. FDA již zahájil integraci aktivních materiálů do listů rotoru pro ovládání vibrací.
U konvenčního hlavního rotoru trpí listy vysokou úrovní vibrací způsobených rotací a všemi souvisejícími jevy. Z tohoto důvodu, a aby se snížily vibrace a usnadnila kontrola zatížení působícího na lopatky, byly testovány aktivní lopatky s vysokou ohybovou schopností. U speciálního typu testu (nazývaného „integrovaný kroucený obvod“), kdy se úhel náběhu změní, je čepel zkroucena po celé délce díky integrovanému aktivnímu vláknovému kompozitu AFC (elektro-keramické vlákno vložené do měkké polymerní matrice) do struktury čepele. Aktivní vlákna jsou naskládána ve vrstvách, jedna vrstva nad druhou, na horním a dolním povrchu čepele pod úhlem 45 stupňů. Práce aktivních vláken vytváří v lopatce distribuované napětí, které způsobuje odpovídající ohyb v celém lopatce, což může vyrovnávat vibrace švihu. Další test („aktivace diskrétních výkyvů“) je charakterizován rozšířeným používáním piezoelektrických mechanismů (aktorů) pro regulaci vibrací: akční členy jsou umístěny ve struktuře lopatek k ovládání činnosti některých deflektorů umístěných podél odtokové hrany. Dojde tedy k aeroelastické reakci, která může neutralizovat vibrace generované vrtulí. Obě řešení byla hodnocena na skutečném vrtulníku CH-47D v testu nazvaném MiT Hower Test Sand.
Vývoj morfujících strukturálních prvků otevírá nové perspektivy v navrhování struktur se zvýšenou složitostí, přičemž se výrazně snižuje jejich hmotnost a náklady. Výrazné snížení úrovní vibrací se promítá do: prodloužení životnosti konstrukce, méně kontrol strukturální integrity, zvýšené ziskovosti konečných návrhů, protože konstrukce podléhají menším vibracím, zvýšenému pohodlí, lepšímu letovému výkonu a kontrole hluku ve vrtulnících.
Podle NASA se očekává, že v průběhu příštích 20 let bude potřeba vysoce výkonných leteckých systémů, které se stanou lehčími a kompaktnějšími, vyžadovat rozsáhlejší využití návrhů morfování.
Samoléčebné materiály
Samoregenerační materiály patřící do třídy chytrých materiálů jsou schopny samostatně opravit poškození způsobené mechanickým namáháním nebo vnějšími vlivy. Při vývoji těchto nových materiálů byly jako zdroj inspirace použity přírodní a biologické systémy (například rostliny, některá zvířata, lidská kůže atd.) (Ve skutečnosti se jim na začátku říkalo biotechnologické materiály). Samoléčebné materiály dnes najdeme v pokročilých kompozitech, polymerech, kovech, keramice, antikorozních nátěrech a barvách. Zvláštní důraz je kladen na jejich aplikaci ve vesmírných aplikacích (rozsáhlý výzkum provádí NASA a Evropská vesmírná agentura), které se vyznačují vakuem, velkými teplotními rozdíly, mechanickými vibracemi, kosmickým zářením a také za účelem snížení poškození způsobené kolizemi s vesmírným odpadem a mikrometeority. Samoléčebné materiály jsou navíc nezbytné pro letecký a obranný průmysl. Moderní polymerní kompozity používané v leteckém a vojenském průmyslu jsou náchylné k poškození způsobenému mechanickou, chemickou, tepelnou, nepřátelskou palbou nebo kombinací těchto faktorů. Protože poškození vnitřních materiálů je obtížné si všimnout a opravit, ideálním řešením by bylo odstranit poškození, ke kterému došlo na nano a mikro úrovni, a obnovit materiál do původních vlastností a stavu. Technologie je založena na systému, podle kterého materiál obsahuje mikrokapsle dvou různých typů, z nichž jedna obsahuje samoopravnou složku a druhá určitý katalyzátor. Pokud je materiál poškozen, mikrokapsle jsou zničeny a jejich obsah může vzájemně reagovat, vyplnit poškození a obnovit integritu materiálu. Tyto materiály tedy výrazně přispívají k bezpečnosti a trvanlivosti pokročilých kompozitů v moderních letadlech a současně eliminují potřebu nákladného aktivního monitorování nebo externí opravy a / nebo výměny. Navzdory vlastnostem těchto materiálů existuje potřeba zlepšit udržovatelnost materiálů používaných v leteckém průmyslu a pro tuto roli jsou navrženy vícevrstvé uhlíkové nanotrubice a epoxidové systémy. Tyto korozivzdorné materiály zvyšují pevnost v tahu a tlumicí vlastnosti kompozitů a nemění odolnost proti tepelnému šoku. Je také zajímavé vyvinout kompozitní materiál s keramickou matricí - matricovou kompozici, která převádí každou molekulu kyslíku (pronikla do materiálu v důsledku poškození) na částici křemíku a kyslíku s nízkou viskozitou, která může proudit do poškození v důsledku na kapilární efekt a naplňte je. NASA a Boeing experimentují se samoléčivými prasklinami v leteckých strukturách za použití polydimethylsiloxanové elastomerové matrice s vloženými mikrokapslemi.
Samoléčebné materiály jsou schopny napravit poškození uzavřením mezery kolem děrovaného předmětu. Očividně se takové schopnosti zkoumají na obranné úrovni, a to jak pro pancéřování vozidel a tanků, tak pro systémy osobní ochrany.
Samoléčebné materiály pro vojenské aplikace vyžadují pečlivé vyhodnocení proměnných spojených s hypotetickým poškozením. V tomto případě poškození při nárazu závisí na:
- kinetická energie způsobená kulkou (hmotnost a rychlost), - návrhy systémů (vnější geometrie, materiály, brnění) a
- analýza kolizní geometrie (úhel setkání).
S ohledem na to experimentují DARPA a americké armádní laboratoře s nejpokročilejšími samoopravnými materiály. Zvláště mohou být obnovovací funkce iniciovány průnikem střely, kde balistický náraz způsobuje lokalizované zahřívání materiálu, což umožňuje samoléčení.
Velmi zajímavé jsou studie a testy samoopravitelného skla, ve kterém jsou praskliny způsobené nějakým mechanickým působením vyplněny kapalinou. Samoopravné sklo lze použít při výrobě neprůstřelných čelních skel vojenských vozidel, což by vojákům umožňovalo udržovat dobrou viditelnost. Může také najít uplatnění v jiných oblastech, letectví, počítačové displeje atd.
Jednou z hlavních výzev budoucnosti je prodloužit životnost pokročilých materiálů používaných v konstrukčních prvcích a nátěrech. Vyšetřují se následující materiály:
-samoopravné materiály na bázi grafenu (dvourozměrný polovodičový nanomateriál sestávající z jedné vrstvy atomů uhlíku), - pokročilé epoxidové pryskyřice, - materiály vystavené slunečnímu světlu, - antikorozní mikrokapsle pro kovové povrchy, - elastomery schopné odolat nárazu kulky a
uhlíkové nanotrubice používané jako další součást ke zvýšení materiálového výkonu.
Značný počet materiálů s těmito charakteristikami je v současné době testován a experimentálně zkoumán.
Výstup
Po mnoho let inženýři často navrhovali koncepčně slibné projekty, ale nemohli je realizovat kvůli nedostupnosti vhodných materiálů pro jejich praktickou implementaci. Dnes je hlavním cílem vytvořit lehké konstrukce s vynikajícími mechanickými vlastnostmi. Moderní pokrok v moderních materiálech (chytré materiály a nanokompozity) hraje klíčovou roli i přes veškerou složitost, kdy jsou vlastnosti často velmi ambiciózní a někdy dokonce protichůdné. V současné době se vše mění kaleidoskopickou rychlostí, pro nový materiál, jehož výroba právě začíná, je tu další, na kterém provádějí experimenty a testování. Letecký a obranný průmysl může z těchto úžasných materiálů těžit mnoho výhod.
