Увеличенное изображение микрокапсул из силикагеля в самовосстанавливающемся полимере

«Нетрадиционные материалы» - это одно из важнейших направлении развития технологий в военной и авиационно-космической отраслях. Материалам необходимо делать больше, чем просто служить опорной структурой - они должны быть «умными» материалами.

Умные материалы представляют собой особый класс материалов, которые имеют способность работать в качестве исполнительного механизма и в качестве сенсора, обеспечивая необходимые механические деформации, связанные с изменениями температуры, электрического тока или магнитного поля. Поскольку композиционные материалы состоят из более чем одного материала и благодаря современному технологическому прогрессу сегодня возможно включение других материалов (или структур) в процесс обеспечения интегрированной функциональности в таких областях как:

- Морфинг,
- Самовосстановление,
- Восприятие,
- Молниезащита, и
- Аккумуляция энергии.
Мы в этой статье остановимся на первых двух областях.

Морфинговые материалы и морфинговые структуры

К морфинговым относятся те материалы, которые, следуя входным сигналам, изменяют свои геометрические параметры и которые способны восстанавливать свою первоначальную форму, когда внешние сигналы прекращаются.

Эти материалы вследствие своей реакции в виде изменения формы используются в качестве исполнительных механизмов, но могут также использоваться обратным образом, то есть в качестве сенсоров, в которых прикладываемое на материал внешнее воздействие трансформируется в сигнал. Аэрокосмические приложения этих материалов разнообразны: сенсоры, исполнительные приводы, переключатели в электрических установках и аппаратуре, авионика и соединения в гидравлических системах. Преимущества здесь следующие: исключительная надежность, продолжительность службы, нет протечек, низкая стоимость установки и существенное уменьшение объема обслуживания. В частности, среди исполнительных механизмов, изготовленных из морфинговых материалов и сплавов с памятью формы, особый интерес представляют приводы для автоматического контроля систем охлаждения авионики и приводы для закрытия/открытия направляющих заслонок в системах кондиционирования кабин пилотов.

К материалам, которые изменяют форму в результате приложения электрического поля, относятся пьезоэлектрические материалы (явление возникновения поляризации материалов с кристаллической структурой под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект) и возникновения механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект)) и электрострикционные материалы. Разница заключается в реакции на приложенное электрическое поле: пьезоэлектрический материал может удлиняться или укорачиваться, тогда как электрострикционный материал только удлиняется вне зависимости от направления приложенного поля. В случае с сенсорами напряжение, генерируемое в результате механического воздействия, измеряется и обрабатывается с целью получения информации об этом же самом воздействии. Эти материалы с прямым пьезоэлектрическим эффектом широко применяются в датчиках ускорения и нагрузки, акустических датчиках. Другие материалы, базирующиеся на обратном пьезоэлектрическом эффекте, применяются во всех исполнительных устройствах; они зачастую используются в оптических системах, устанавливаемых на разведывательных спутниках, так как они способны регулировать положение объективов и зеркал с нанометровой точностью. Вышеупомянутые материалы также включаются в морфинговые структуры с целью изменения некоторых геометрических характеристик и придания этим структурам особых дополнительных свойств. Морфинговая структура (также называемая умной структурой или активной структурой) способна воспринимать изменения внешних условий благодаря работе системы датчиков/электромеханических преобразователей, встроенной в нее. Таким способом (благодаря наличию одного или более микропроцессоров и силовой электроники) можно вызывать соответствующие изменения в соответствии с данными, идущими от датчиков, позволяя структуре адаптироваться к внешним изменениям. Такой активный контроль применим не только к внешнему входному сигналу (например, механическое давление или изменение формы), но также к изменению внутренних характеристик (например, повреждение или сбой). Сфера применения довольно широкая и включает космические системы, самолеты и вертолеты (контроль вибрации, шума, изменения формы, распределение напряжений и аэроупругая устойчивость), морские системы (корабли и подводные лодки), а также технологии защиты.

Очень интересна одна из тенденций снижения вибрации (колебаний), возникающей в конструкционных системах. Специальные датчики (состоящие из многослойной пьезоэлектрической керамики) размещаются в самых нагруженных точках с целью обнаружения колебаний. После анализа сигналов, индуцированных вибрацией, микропроцессор посылает сигнал (пропорциональный проанализированному сигналу) исполнительному элементу, который реагирует соответствующим перемещением, способным препятствовать колебанию. В Управлении прикладной авиационной технологии американской армии и в НАСА были протестированы подобные активные системы с целью снижения вибраций некоторых элементов вертолета СН-47, а также хвостовых плоскостей истребителя F-18. В Управлении уже началась интеграция активных материалов в лопасти несущего винта с целью контроля вибрации.

В обычном несущем винте лопасти страдают от высокого уровня вибрации, вызванной вращением и всеми связанными с этим явлениями. По этой причине и для того чтобы уменьшить вибрацию и упростить контроль нагрузок, действующих на лопасти, были протестированы активные лопасти с высокой способностью к искривлению. В тесте особого типа (названном «встроенная схема скручивания») при изменении угла атаки происходит закручивание лопасти по всей ее длине благодаря активному волокнистому композиту AFC (электрокерамическое волокно, встроенное в матрицу мягкого полимера), интегрированному в структуру лопасти. Активные волокна уложены послойно, один слой над другим, на верхней и нижней поверхностях лопасти под углом 45 градусов. Работа активных волокон создает распределенное напряжение в лопасти, которое вызывает соответствующий изгиб по всей лопасти, способный уравновесить маховую вибрацию. Еще один тест («активация дискретных махов») характеризуется широким использованием пьезоэлектрических механизмов (актуаторов) для контроля вибрации: актуаторы размещаются в структуре лопасти для контроля работы некоторых дефлекторов, расположенных вдоль задней кромки. Таким образом, происходит аэроупругая реакция, способная нейтрализовать вибрацию, создаваемую винтом. Оба решения были оценены на реальном вертолете CH-47D при проведении теста, названного MiT Hower Test Sand.

Разработка морфинговых конструкционных элементов открывает новые перспективы при проектировании конструкций повышенной сложности, при этом заметно снижается их масса и стоимость. Заметное снижение уровня вибрации влечет за собой: увеличение срока службы конструкции, меньше проверок конструктивной целостности, повышение рентабельности конечных проектов, поскольку конструкции подвергаются меньшей вибрации, повышение комфорта, улучшение летных характеристик и контроль уровня шума в вертолетах.

По данным НАСА, ожидается, что в следующие 20 лет потребность в создании авиационных систем с высокими характеристиками, который будут становиться все более и более легкими и компактными, потребует более широкого применения морфинговых конструкций.


Рисунок, представляющий как работает самовосстанавливающийся материал

Самовосстанавливающиеся материалы

Самовосстанавливающиеся материалы, относящиеся к классу умных материалов, способны самостоятельно устранять повреждения, вызванные механическим напряжением или внешним воздействием. При разработке этих новых материалов в качестве источника вдохновения (на самом деле, в начале они назывались биотехнологическими материалами) использовались природные и биологические системы (например, растения, некоторые животные, человеческая кожа и т.д.). Сегодня самовосстанавливающиеся материалы могут встретиться в продвинутых композиционных материалах, полимерах, металлах, керамике, антикоррозийных покрытиях и красках. Особый акцент делается на их применении в космических приложениях (масштабные исследования проводятся НАСА и Европейским космическим агентством), которые характеризуются вакуумом, большими перепадами температур, механическими вибрациями, космической радиацией, а также для снижения ущерба, вызванного столкновениями с космическим мусором и микрометеоритами. Кроме того, самовосстанавливающиеся материалы имеют большое значение для авиационной и оборонной сфер. Современные полимерные композиты, используемые в аэрокосмических и военных приложениях, восприимчивы к повреждениям, вызванным механическим, химическим, тепловым воздействием, вражеским огнем или комбинацией этих факторов. Поскольку повреждения внутри материалов трудно заметить и отремонтировать, идеальным решением могло бы стать устранение возникшего повреждения на нано- и микроуровне и восстановление материала до оригинальных свойств и состояния. Технология базируется на системе, в соответствии с которой в материал включены микрокапсулы двух разных типов, одни содержат самовосстанавливающиеся компонент и вторые некий катализатор. При повреждении материала микрокапсулы разрушаются и их содержимое может вступать в реакцию друг с другом, заполняя повреждение и восстанавливая целостность материала. Таким образом, эти материалы в значительной степени способствуют сохранности и долговечности продвинутых композитов в современном самолете, при этом исключается необходимость в дорогостоящем активном мониторинге или внешнем ремонте и/или замене. Несмотря на характеристики этих материалов, существует необходимость улучшения ремонтопригодности материалов, используемых авиационно-космической промышленностью, и для этой роли предлагаются многослойные углеродные нанотрубки и эпоксидные системы. Эти коррозионностойкие материалы повышают предел прочности на разрыв и демпфирующие свойства композитов и не изменяют термостойкость. Интересна также разработка композиционного материала с керамической матрицей - матричный состав, преобразующий каждую молекулу кислорода (проникшую в материал в результате повреждения) в кремнекислородную частицу с низкой вязкостью, которая может перетекать в повреждения за счет капиллярного эффекта и заполнять их. НАСА и компания Boeing проводят эксперименты с самовосстановлением трещин в авиационно-космических конструкциях с использованием полидиметилсилоксановой эластомерной матрицы с включенными в нее микрокапсулами.

Самовосстанавливающиеся материалы способны устранять повреждения за счет ликвидации разрыва вокруг пробитого объекта. Очевидно, что подобные возможности изучаются на оборонном уровне, как для бронирования машин и танков, так и для систем персональной защиты.

Самовосстанавливающиеся материалы для военного применения требуют тщательной оценки переменных, связанных с гипотетическим повреждением. В этом случае повреждение при ударе зависит от:
- кинетической энергии, обусловленной пулей (масса и скорость),
- конструкции системы (внешняя геометрия, материалы, бронирование), и
- анализа геометрии столкновения (угол встречи).

Приняв это за основу, DARPA и лаборатории американской армии проводят эксперименты с самыми продвинутыми самовосстанавливающимися материалами. В частности, восстанавливающие функции могут быть инициированы пробиванием пули, когда баллистический удар вызывает локальное нагревание материала, делая возможным самовосстановление.

Очень интересны исследования и тесты самовосстанавливающегося стекла, в котором трещины, возникшие в результате некоего механического воздействия, наполняются жидкостью. Самовосстанавливающееся стекло может использоваться при изготовлении пуленепробиваемых лобовых стекол военных машин, что позволило бы солдатам сохранять хорошую обзорность. Также оно может найти применение и других областях, авиации, компьютерных дисплеях и т.д.

Одной из будущих основных задач является продление срока службы продвинутых материалов, применяемых в элементах конструкций и в покрытиях. Исследуются следующие материалы:

- самовосстанавливающиеся материалы на основе графена (двухмерный полупроводниковый наноматериал, состоящий из одного слоя атомов углерода),
- продвинутые эпоксидные смолы,
- материалы, подвергающиеся воздействию солнечного света,
- антикоррозийные микрокапсулы для металлических поверхностей,
- эластомеры, способные выдержать попадание пуль, и
углеродные нанотрубки, используемые в качестве дополнительного компонента, повышающего характеристики материала.

Значительное число материалов с этими характеристиками в настоящее время тестируются и исследуются экспериментально.

Вывод

Многие годы инженеры часто предлагали концептуально перспективные проекты, но не могли реализовать их из-за недоступности соответствующих материалов для их практического воплощения. Сегодня основной целью является создание легких конструкций с выдающимися механическими свойствами. Современный прогресс в современных материалах (умные материалы и нанокомпозиты) играет ключевую роль, несмотря на всю сложность, когда часто характеристики очень амбициозные и порой даже противоречащие. В настоящее время всё меняется с калейдоскопической быстротой, за новым материалом, производство которого только начинается, появляется следующий, над которым проводят эксперименты и подвергают тестированию. Аэрокосмическая и оборонная промышленность может получить множество преимуществ от этих материалов с поразительными свойствами.

Использованы материалы:
www.shephardmedia.com
www.nasa.gov
www.darpa.mil
web.archive.org
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org