"Ikke-tradisjonelle materialer" er et av de viktigste områdene innen teknologiutvikling i militær- og romfartsindustrien. Materialer må gjøre mer enn bare å fungere som en bærende struktur - de må være smarte materialer
Smarte materialer er en spesiell klasse materialer som har evnen til å fungere som en aktuator og som en sensor, og som gir de nødvendige mekaniske deformasjonene forbundet med endringer i temperatur, elektrisk strøm eller magnetfelt. Siden komposittmaterialer består av mer enn ett materiale og på grunn av moderne teknologisk fremgang, er det nå mulig å inkludere andre materialer (eller strukturer) i prosessen med å tilby integrert funksjonalitet på områder som:
- Morphing, - Selv helbreding, - Oppfatning, - Lynbeskyttelse, og
- Energilagring.
Vi vil fokusere på de to første områdene i denne artikkelen.
Morphing materialer og morphing strukturer
Morphing -materialer inkluderer materialer som etter inngangssignalene endrer de geometriske parametrene og som kan gjenopprette sin opprinnelige form når eksterne signaler stopper.
Disse materialene, på grunn av deres reaksjon i form av en formendring, brukes som aktuatorer, men de kan også brukes på motsatt måte, det vil si som sensorer der en ekstern påvirkning påført materialet omdannes til en signal. Luftfartsapplikasjonene til disse materialene er varierte: sensorer, aktuatorer, brytere i elektriske installasjoner og apparater, luftfart og tilkoblinger i hydrauliske systemer. Fordelene er: eksepsjonell pålitelighet, lang levetid, ingen lekkasjer, lave installasjonskostnader og en betydelig reduksjon i vedlikehold. Spesielt blant aktuatorer laget av morphing -materialer og formminneslegeringer er aktuatorer for automatisk styring av avionikk -kjølesystemer og aktuatorer for lukking / åpning av styrespjeld i cockpit -klimaanlegg av særlig interesse.
Materialer som endrer form som følge av påføring av et elektrisk felt inkluderer piezoelektriske materialer (fenomenet polarisering av materialer med en krystallinsk struktur under virkningen av mekaniske påkjenninger (direkte piezoelektrisk effekt) og mekaniske deformasjoner under virkningen av et elektrisk felt (omvendt piezoelektrisk effekt)) og elektrostriktive materialer. Forskjellen ligger i responsen på et påført elektrisk felt: et piezoelektrisk materiale kan forlenge eller forkortes, mens et elektrostriktivt materiale bare blir lengre, uavhengig av retningen til det påførte feltet. Når det gjelder sensorer, måles og behandles spenningen som genereres av mekanisk spenning for å få informasjon om den samme spenningen. Disse materialene med direkte piezoelektrisk effekt er mye brukt i akselerasjons- og lastsensorer, akustiske sensorer. Andre materialer basert på den omvendte piezoelektriske effekten brukes i alle aktuatorer; de brukes ofte i optiske systemer for rekognoseringssatellitter, ettersom de er i stand til å justere posisjonen til linser og speil med nanometer presisjon. De nevnte materialene er også inkludert i morphing -strukturer for å endre visse geometriske egenskaper og gi disse strukturene spesielle tilleggsegenskaper. En morfstruktur (også kalt en smart struktur eller aktiv struktur) er i stand til å føle endringer i ytre forhold på grunn av driften av sensoren / elektromekanisk transdusersystem innebygd i den. På denne måten (på grunn av tilstedeværelsen av en eller flere mikroprosessorer og kraftelektronikk) kan passende endringer induseres i samsvar med dataene som kommer fra sensorene, slik at strukturen kan tilpasse seg eksterne endringer. Slik aktiv overvåking gjelder ikke bare for et eksternt inngangssignal (f.eks. Mekanisk trykk eller formendring), men også for endringer i interne egenskaper (f.eks. Skade eller feil). Anvendelsesområdet er ganske bredt og inkluderer romsystemer, fly og helikoptre (kontroll av vibrasjon, støy, formendring, spenningsfordeling og aeroelastisk stabilitet), marine systemer (skip og ubåter), samt beskyttelsesteknologi.
En av tendensene til å redusere vibrasjon (vibrasjoner) som oppstår i konstruksjonssystemer er veldig interessant. Spesielle sensorer (bestående av flerlags piezoelektrisk keramikk) plasseres på de mest belastede punktene for å oppdage vibrasjoner. Etter å ha analysert de vibrasjonsinduserte signalene, sender mikroprosessoren et signal (proporsjonalt med det analyserte signalet) til aktuatoren, som reagerer med en passende bevegelse som er i stand til å hemme vibrasjon. Den amerikanske hærens Office of Applied Aviation Technology og NASA har testet lignende aktive systemer for å redusere vibrasjoner av enkelte elementer i CH-47-helikopteret, så vel som haleflyene til F-18-jagerflyet. FDA har allerede begynt å integrere aktive materialer i rotorblad for å kontrollere vibrasjon.
I en konvensjonell hovedrotor lider bladene av høye vibrasjonsnivåer forårsaket av rotasjon og alle relaterte fenomener. Av denne grunn, og for å redusere vibrasjon og lette kontrollen over belastningene som virker på bladene, ble aktive blader med høy bøyekapasitet testet. I en spesiell type test (kalt "innebygd vridningskrets"), når angrepsvinkelen endres, blir bladet vridd i hele lengden takket være den aktive fiberkompositten AFC (elektro-keramisk fiber innebygd i en myk polymermatrise) integrert inn i bladstrukturen. De aktive fibrene er stablet i lag, ett lag over det andre, på bladets øvre og nedre overflater i en vinkel på 45 grader. Arbeidet med de aktive fibrene skaper en fordelt spenning i bladet, som forårsaker en tilsvarende bøyning gjennom bladet, noe som kan balansere svingningsvibrasjonen. En annen test ("aktivering av diskrete svinger") er preget av utbredt bruk av piezoelektriske mekanismer (aktuatorer) for vibrasjonskontroll: aktuatorer er plassert i bladstrukturen for å kontrollere driften av noen deflektorer som ligger langs bakkanten. Dermed oppstår en aeroelastisk reaksjon som kan nøytralisere vibrasjonen som genereres av propellen. Begge løsningene ble evaluert på et ekte CH-47D helikopter i en test kalt MiT Hower Test Sand.
Utviklingen av morphing strukturelle elementer åpner nye perspektiver i utformingen av strukturer med økt kompleksitet, mens deres vekt og kostnad reduseres betydelig. En markert reduksjon i vibrasjonsnivåer betyr: økt strukturlevetid, færre strukturelle integritetskontroller, økt lønnsomhet for endelige konstruksjoner ettersom strukturer utsettes for mindre vibrasjoner, økt komfort, forbedret flyytelse og støykontroll i helikoptre.
Ifølge NASA forventes det at behovet for høytytende flysystemer som vil bli lettere og mer kompakte i løpet av de neste 20 årene vil kreve mer omfattende bruk av morphing -design.
Selvhelbredende materialer
Selvhelbredende materialer som tilhører klassen smarte materialer, kan selvstendig reparere skader forårsaket av mekanisk belastning eller ytre påvirkninger. Ved utvikling av disse nye materialene ble naturlige og biologiske systemer (for eksempel planter, noen dyr, menneskelig hud, etc.) brukt som inspirasjonskilde (faktisk ble de i begynnelsen kalt bioteknologiske materialer). I dag finnes selvhelbredende materialer i avanserte kompositter, polymerer, metaller, keramikk, korrosjonsbeskyttende belegg og maling. Spesiell vekt legges på deres anvendelse i romapplikasjoner (storskala forskning utføres av NASA og European Space Agency), som er preget av vakuum, store temperaturforskjeller, mekaniske vibrasjoner, kosmisk stråling, samt for å redusere skader forårsaket av kollisjoner med plassrester og mikrometeoritter. I tillegg er selvhelbredende materialer avgjørende for luftfarts- og forsvarsindustrien. Moderne polymerkompositter som brukes i romfart og militære applikasjoner er utsatt for skader forårsaket av mekanisk, kjemisk, termisk, fiendtlig brann eller en kombinasjon av disse faktorene. Siden skader på innsiden av materialer er vanskelig å legge merke til og reparere, vil den ideelle løsningen være å eliminere skaden som har oppstått på nano- og mikronivå og gjenopprette materialet til dets opprinnelige egenskaper og tilstand. Teknologien er basert på et system der materialet inneholder mikrokapsler av to forskjellige typer, den ene inneholder en selvhelbredende komponent og den andre en bestemt katalysator. Hvis materialet er skadet, ødelegges mikrokapslene og innholdet i dem kan reagere med hverandre, fylle skaden og gjenopprette materialets integritet. Dermed bidrar disse materialene sterkt til sikkerheten og holdbarheten til avanserte kompositter i moderne fly, samtidig som behovet for kostbar aktiv overvåking eller ekstern reparasjon og / eller utskifting elimineres. Til tross for egenskapene til disse materialene, er det behov for å forbedre vedlikeholdsevnen til materialer som brukes i romfartsindustrien, og karbon -nanorør og epoksy -systemer i flere lag foreslås for denne rollen. Disse korrosjonsbestandige materialene øker strekkfastheten og dempingsegenskapene til komposittene og endrer ikke termisk sjokkmotstand. Det er også interessant å utvikle et komposittmateriale med en keramisk matrise - en matrikssammensetning som omdanner hvert oksygenmolekyl (trengt inn i materialet som følge av skade) til en silisium -oksygenpartikkel med lav viskositet, som kan strømme til skade pga. til kapillæreffekten og fyll dem. NASA og Boeing eksperimenterer med selvhelbredende sprekker i luftfartsstrukturer ved hjelp av en polydimetylsiloksan elastomer matrise med innebygde mikrokapsler.
Selvhelbredende materialer er i stand til å reparere skader ved å lukke gapet rundt det hullede objektet. Åpenbart studeres slike evner på forsvarsnivå, både for rustning av kjøretøyer og tanker, og for personlige beskyttelsessystemer.
Selvhelbredende materialer for militære applikasjoner krever grundig evaluering av variablene forbundet med hypotetisk skade. I dette tilfellet er støtskaden avhengig av:
- kinetisk energi på grunn av kulen (masse og hastighet), - systemdesign (ekstern geometri, materialer, rustning) og
- kollisjonsgeometri analyse (møtevinkel).
Med dette i bakhodet eksperimenterer DARPA og US Army Laboratories med de mest avanserte selvhelbredende materialene. Spesielt kan gjenopprettende funksjoner initieres ved kuleinntrengning der den ballistiske virkningen forårsaker lokal oppvarming av materialet, noe som gjør selvhelbredelse mulig.
Studier og tester av selvhelbredende glass er veldig interessante, der sprekker forårsaket av mekanisk virkning er fylt med væske. Selvhelbredende glass kan brukes til fremstilling av skuddsikre frontruter til militære kjøretøyer, noe som gjør at soldater kan opprettholde god sikt. Den kan også finne applikasjoner i andre felt, luftfart, dataskjermer, etc.
En av fremtidens store utfordringer er å forlenge levetiden til avanserte materialer som brukes i strukturelle elementer og belegg. Følgende materialer blir undersøkt:
-selvhelbredende materialer basert på grafen (todimensjonalt halvleder-nanomateriale som består av ett lag med karbonatomer), - avanserte epoksyharpikser, - materialer utsatt for sollys, - korrosjonsbeskyttende mikrokapsler for metalloverflater, - elastomerer som tåler kulepåvirkning, og
karbon nanorør brukt som en ekstra komponent for å forbedre materialytelsen.
Et betydelig antall materialer med disse egenskapene blir for tiden testet og undersøkt eksperimentelt.
Produksjon
I mange år foreslo ingeniører ofte konseptuelt lovende prosjekter, men kunne ikke gjennomføre dem på grunn av utilgjengelighet av passende materialer for praktisk gjennomføring. I dag er hovedmålet å lage lette konstruksjoner med enestående mekaniske egenskaper. Moderne fremgang i moderne materialer (smarte materialer og nanokompositter) spiller en nøkkelrolle, til tross for all kompleksiteten, når egenskapene ofte er svært ambisiøse og noen ganger til og med motstridende. For tiden er alt i endring med en kalejdoskopisk hastighet, for et nytt materiale, hvis produksjon bare har begynt, er det et neste, som de utfører eksperimenter og tester. Luftfarts- og forsvarsindustrien kan høste mange fordeler av disse fantastiske materialene.
