"Utraditionelle materialer" er et af de vigtigste områder inden for teknologiudvikling inden for militær- og rumfartsindustrien. Materialer skal gøre mere end bare at fungere som en understøttende struktur - de skal være smarte materialer
Smarte materialer er en særlig klasse materialer, der har evnen til at fungere som en aktuator og som en sensor, hvilket giver de nødvendige mekaniske deformationer forbundet med ændringer i temperatur, elektrisk strøm eller magnetisk felt. Da kompositmaterialer består af mere end ét materiale og på grund af moderne teknologiske fremskridt, er det nu muligt at inkludere andre materialer (eller strukturer) i processen med at levere integreret funktionalitet på områder som:
- Morphing, - Selvhelbredende, - Opfattelse, - Lynbeskyttelse, og
- Energilagring.
Vi vil fokusere på de to første områder i denne artikel.
Morphing materialer og morphing strukturer
Morphing -materialer inkluderer materialer, der efter input -signalerne ændrer deres geometriske parametre, og som er i stand til at gendanne deres oprindelige form, når eksterne signaler stopper.
Disse materialer, på grund af deres reaktion i form af en formændring, bruges som aktuatorer, men de kan også bruges på den modsatte måde, det vil sige som sensorer, hvor en ekstern påvirkning, der påføres materialet, omdannes til en signal. Luftfartsapplikationer af disse materialer er forskellige: sensorer, aktuatorer, kontakter i elektriske installationer og apparater, avionik og forbindelser i hydrauliske systemer. Fordelene er: enestående pålidelighed, lang levetid, ingen lækager, lave installationsomkostninger og en væsentlig reduktion i vedligeholdelse. Især blandt aktuatorer fremstillet af morphing materialer og formhukommelseslegeringer er aktuatorer til automatisk styring af avionik -kølesystemer og aktuatorer til lukning / åbning af styrespjæld i cockpit -klimaanlæg af særlig interesse.
Materialer, der ændrer form som følge af anvendelsen af et elektrisk felt, omfatter piezoelektriske materialer (fænomenet polarisering af materialer med en krystallinsk struktur under påvirkning af mekaniske spændinger (direkte piezoelektrisk effekt) og mekaniske deformationer under virkningen af et elektrisk felt (omvendt piezoelektrisk effekt)) og elektrostriktive materialer. Forskellen ligger i reaktionen på et påført elektrisk felt: et piezoelektrisk materiale kan forlænge eller forkorte, mens et elektrostriktivt materiale kun forlænges, uanset retningen af det påførte felt. I tilfælde af sensorer måles og behandles spændingen genereret af mekanisk spænding for at opnå information om den samme spænding. Disse materialer med direkte piezoelektrisk effekt er meget udbredt i accelerations- og belastningssensorer, akustiske sensorer. Andre materialer baseret på den omvendte piezoelektriske effekt bruges i alle aktuatorer; de bruges ofte i optiske systemer til rekognosceringssatellitter, da de er i stand til at justere positionen af linser og spejle med nanometerpræcision. De førnævnte materialer er også inkluderet i morphing -strukturer for at ændre visse geometriske egenskaber og give disse strukturer særlige ekstra egenskaber. En morph -struktur (også kaldet en smart struktur eller aktiv struktur) er i stand til at registrere ændringer i ydre forhold på grund af driften af det sensor / elektromekaniske transducersystem, der er indbygget i det. På denne måde (på grund af tilstedeværelsen af en eller flere mikroprocessorer og strømelektronik) kan passende ændringer ændres i overensstemmelse med dataene fra sensorerne, så strukturen kan tilpasse sig eksterne ændringer. Sådan aktiv overvågning gælder ikke kun for et eksternt indgangssignal (f.eks. Mekanisk tryk eller formændring), men også ændringer i interne egenskaber (f.eks. Beskadigelse eller fejl). Anvendelsesområdet er ret bredt og omfatter rumsystemer, fly og helikoptere (kontrol af vibrationer, støj, formændring, stressfordeling og aeroelastisk stabilitet), marine systemer (skibe og ubåde) samt beskyttelsesteknologier.
En af tendenserne til at reducere vibrationer (vibrationer), der opstår i strukturelle systemer, er meget interessant. Specielle sensorer (bestående af flerlags piezoelektrisk keramik) placeres på de mest belastede punkter for at registrere vibrationer. Efter analyse af de vibrationsinducerede signaler sender mikroprocessoren et signal (proportionalt med det analyserede signal) til aktuatoren, som reagerer med en passende bevægelse, der er i stand til at hæmme vibrationer. Den amerikanske hærs kontor for anvendt luftfartsteknologi og NASA har testet lignende aktive systemer for at reducere vibrationer i nogle elementer i CH-47-helikopteren samt haleflyene fra F-18-jageren. FDA er allerede begyndt at integrere aktive materialer i rotorblade for at kontrollere vibrationer.
I en konventionel hovedrotor lider knivene af høje vibrationsniveauer forårsaget af rotation og alle relaterede fænomener. Af denne grund, og for at reducere vibrationer og lette styringen af de belastninger, der virker på knivene, blev aktive knive med en høj bøjningskapacitet testet. I en speciel type test (kaldet "indlejret vridningskredsløb"), når angrebsvinklen ændres, vrides bladet i hele sin længde takket være den aktive fiberkomposit AFC (elektrokeramisk fiber indlejret i en blød polymermatrix) integreret ind i bladstrukturen. De aktive fibre er stablet i lag, et lag over det andet, på bladets øvre og nedre overflader i en vinkel på 45 grader. Arbejdet med de aktive fibre skaber en fordelt spænding i bladet, hvilket forårsager en tilsvarende bøjning i hele bladet, hvilket kan afbalancere svingningsvibrationen. En anden test ("aktivering af diskrete gynger") er kendetegnet ved den udbredte anvendelse af piezoelektriske mekanismer (aktuatorer) til vibrationskontrol: aktuatorer er placeret i bladstrukturen for at kontrollere driften af nogle deflektorer, der er placeret langs bagkanten. Således sker der en aeroelastisk reaktion, der kan neutralisere vibrationen, der genereres af propellen. Begge løsninger blev evalueret på en ægte CH-47D helikopter i en test kaldet MiT Hower Test Sand.
Udviklingen af morphing strukturelle elementer åbner nye perspektiver i designet af strukturer med øget kompleksitet, mens deres vægt og omkostninger reduceres betydeligt. En markant reduktion i vibrationsniveauer udmønter sig i: øget strukturlevetid, færre strukturelle integritetskontroller, øget rentabilitet af endelige designs, da strukturer udsættes for mindre vibrationer, øget komfort, forbedret flyveydelse og støjkontrol i helikoptere.
Ifølge NASA forventes det, at i løbet af de næste 20 år vil behovet for højtydende flysystemer, der bliver lettere og mere kompakte, kræve mere omfattende brug af morphing -designs.
Selvhelbredende materialer
Selvhelbredende materialer, der tilhører klassen af smarte materialer, er i stand til uafhængigt at reparere skader forårsaget af mekanisk belastning eller ydre påvirkninger. Ved udviklingen af disse nye materialer blev naturlige og biologiske systemer (f.eks. Planter, nogle dyr, menneskelig hud osv.) Brugt som inspirationskilde (faktisk blev de i begyndelsen kaldt bioteknologiske materialer). I dag findes selvhelbredende materialer i avancerede kompositter, polymerer, metaller, keramik, antikorrosionsbelægninger og maling. Der lægges særlig vægt på deres anvendelse i rumapplikationer (omfattende forskning udføres af NASA og European Space Agency), som er kendetegnet ved vakuum, store temperaturforskelle, mekaniske vibrationer, kosmisk stråling samt for at reducere skader forårsaget af kollisioner med rumrester og mikrometeoritter. Desuden er selvhelbredende materialer afgørende for luftfarts- og forsvarsindustrien. Moderne polymersammensætninger, der bruges i rumfart og militære applikationer, er modtagelige for skader forårsaget af mekanisk, kemisk, termisk, fjendtlig ild eller en kombination af disse faktorer. Da skader indeni materialer er svære at bemærke og reparere, ville den ideelle løsning være at fjerne de skader, der er sket på nano- og mikroniveau og gendanne materialet til dets originale egenskaber og tilstand. Teknologien er baseret på et system, ifølge hvilket materialet indeholder mikrokapsler af to forskellige typer, den ene indeholder en selvhelbredende komponent og den anden en bestemt katalysator. Hvis materialet er beskadiget, ødelægges mikrokapslerne, og deres indhold kan reagere med hinanden, fylde skaden og genoprette materialets integritet. Disse materialer bidrager således i høj grad til sikkerheden og holdbarheden af avancerede kompositter i moderne fly, samtidig med at behovet for kostbar aktiv overvågning eller ekstern reparation og / eller udskiftning elimineres. På trods af disse materialers karakteristika er der behov for at forbedre vedligeholdelsen af materialer, der bruges i luftfartsindustrien, og kulnanorør og epoxysystemer med flere lag foreslås til denne rolle. Disse korrosionsbestandige materialer øger komposittens trækstyrke og dæmpningsegenskaber og ændrer ikke termisk chokmodstand. Det er også interessant at udvikle et kompositmateriale med en keramisk matrix - en matrixsammensætning, der omdanner hvert iltmolekyle (trængt ind i materialet som følge af beskadigelse) til en silicium -oxygen -partikel med en lav viskositet, som kan strømme til skader pga. til kapillæreffekten og fyld dem. NASA og Boeing eksperimenterer med selvhelbredende revner i rumfartsstrukturer ved hjælp af en polydimethylsiloxan elastomer matrix med indlejrede mikrokapsler.
Selvhelbredende materialer er i stand til at reparere skader ved at lukke hullet omkring den stansede genstand. Det er klart, at sådanne muligheder undersøges på forsvarsniveau, både til pansring af køretøjer og kampvogne og til personlige beskyttelsessystemer.
Selvhelbredende materialer til militære applikationer kræver omhyggelig evaluering af variablerne forbundet med hypotetisk skade. I dette tilfælde afhænger påvirkningsskaden af:
- kinetisk energi på grund af kuglen (masse og hastighed)
- systemdesign (ekstern geometri, materialer, rustning) og
- kollisionsgeometri analyse (mødevinkel).
Med dette i tankerne eksperimenterer DARPA og US Army Laboratories med de mest avancerede selvhelbredende materialer. Især kan genoprettende funktioner initieres ved kuglepenetration, hvor den ballistiske påvirkning forårsager lokal opvarmning af materialet, hvilket muliggør selvhelbredelse.
Undersøgelser og test af selvhelbredende glas er meget interessante, hvor revner forårsaget af en mekanisk handling er fyldt med væske. Selvhelbredende glas kan bruges til fremstilling af skudsikre forruder til militære køretøjer, hvilket gør det muligt for soldater at opretholde et godt udsyn. Det kan også finde applikation i andre felter, luftfart, computerskærme osv.
En af de fremtidige store udfordringer er at forlænge levetiden for avancerede materialer, der bruges i strukturelle elementer og belægninger. Følgende materialer undersøges:
-selvhelbredende materialer baseret på grafen (todimensionalt halvleder-nanomateriale bestående af et lag carbonatomer)
- avancerede epoxyharpikser
- materialer udsat for sollys
- korrosionsbeskyttende mikrokapsler til metaloverflader
- elastomerer, der er i stand til at modstå kuglestød, og
carbon nanorør brugt som en ekstra komponent for at forbedre materialets ydeevne.
Et betydeligt antal materialer med disse egenskaber testes og undersøges i øjeblikket eksperimentelt.
Produktion
I mange år foreslog ingeniører ofte konceptuelt lovende projekter, men kunne ikke gennemføre dem på grund af utilgængelighed af passende materialer til deres praktiske implementering. I dag er hovedmålet at skabe lette konstruktioner med fremragende mekaniske egenskaber. Moderne fremskridt i moderne materialer (smarte materialer og nanokompositter) spiller en nøglerolle på trods af al kompleksiteten, når egenskaberne ofte er meget ambitiøse og nogle gange endda modstridende. På nuværende tidspunkt ændrer alt sig med en kalejdoskopisk hastighed, for et nyt materiale, hvis produktion lige er begyndt, er der et næste, hvor de udfører eksperimenter og tester. Luft- og rumfarts- og forsvarsindustrien kan høste mange fordele af disse fantastiske materialer.
