„Materiały nietradycyjne” to jeden z najważniejszych obszarów rozwoju technologii w przemyśle wojskowym i lotniczym. Materiały muszą nie tylko służyć jako konstrukcja nośna – muszą być inteligentnymi materiałami
Materiały inteligentne to specjalna klasa materiałów, które mają zdolność działania jako siłownik i czujnik, zapewniając niezbędne odkształcenia mechaniczne związane ze zmianami temperatury, prądu elektrycznego lub pola magnetycznego. Ponieważ materiały kompozytowe składają się z więcej niż jednego materiału oraz ze względu na nowoczesny postęp technologiczny, możliwe jest włączenie innych materiałów (lub struktur) do procesu zapewniania zintegrowanej funkcjonalności w obszarach takich jak:
- Morfowanie, - Samo leczenie, - Percepcja, - Ochrona odgromowa i
- Magazynowanie energii.
W tym artykule skupimy się na dwóch pierwszych obszarach.
Morphing materiałów i morfing struktur
Do materiałów morfingowych zalicza się takie materiały, które podążając za sygnałami wejściowymi zmieniają swoje parametry geometryczne i które są w stanie przywrócić swój pierwotny kształt, gdy sygnały zewnętrzne ustaną.
Materiały te, ze względu na swoją reakcję w postaci zmiany kształtu, są wykorzystywane jako siłowniki, ale mogą być również stosowane w sposób odwrotny, czyli jako czujniki, w których wpływ zewnętrzny przyłożony do materiału jest przekształcany na sygnał. Zastosowania tych materiałów w lotnictwie są zróżnicowane: czujniki, siłowniki, przełączniki w instalacjach i aparaturze elektrycznej, awionika i połączenia w układach hydraulicznych. Korzyści to: wyjątkowa niezawodność, długa żywotność, brak wycieków, niskie koszty instalacji i znaczne ograniczenie konserwacji. W szczególności wśród siłowników wykonanych z materiałów morfingowych i stopów z pamięcią kształtu na szczególne zainteresowanie zasługują siłowniki do automatycznego sterowania układami chłodzenia awioniki oraz siłowniki do zamykania/otwierania przepustnic prowadzących w systemach klimatyzacji kokpitu.
Do materiałów zmieniających kształt w wyniku działania pola elektrycznego należą materiały piezoelektryczne (zjawisko polaryzacji materiałów o strukturze krystalicznej pod wpływem naprężeń mechanicznych (bezpośredni efekt piezoelektryczny) oraz odkształcenia mechaniczne pod działaniem pola elektrycznego (odwrotny efekt piezoelektryczny)) i materiały elektrostrykcyjne. Różnica polega na reakcji na przyłożone pole elektryczne: materiał piezoelektryczny może się wydłużać lub skracać, podczas gdy materiał elektrostrykcyjny tylko wydłuża się, niezależnie od kierunku przyłożonego pola. W przypadku czujników napięcie generowane przez naprężenie mechaniczne jest mierzone i przetwarzane w celu uzyskania informacji o tym samym naprężeniu. Materiały te o bezpośrednim działaniu piezoelektrycznym są szeroko stosowane w czujnikach przyspieszenia i obciążenia, czujnikach akustycznych. We wszystkich siłownikach zastosowano inne materiały oparte na odwróconym efekcie piezoelektrycznym; są często używane w układach optycznych satelitów rozpoznawczych, ponieważ są w stanie regulować położenie soczewek i luster z dokładnością do nanometrów. Wyżej wymienione materiały są również zawarte w strukturach morfingu w celu zmiany pewnych cech geometrycznych i nadania tym strukturom specjalnych dodatkowych właściwości. Struktura morficzna (nazywana również strukturą inteligentną lub strukturą aktywną) jest zdolna do wykrywania zmian warunków zewnętrznych dzięki działaniu wbudowanego w nią układu czujnik/przetwornik elektromechaniczny. W ten sposób (ze względu na obecność jednego lub większej liczby mikroprocesorów i energoelektroniki) można indukować odpowiednie zmiany zgodnie z danymi pochodzącymi z czujników, umożliwiając przystosowanie konstrukcji do zmian zewnętrznych. Takie aktywne monitorowanie ma zastosowanie nie tylko do zewnętrznego sygnału wejściowego (np. docisk mechaniczny lub zmiana kształtu), ale także do zmian charakterystyk wewnętrznych (np. uszkodzenie lub awaria). Zakres zastosowania jest dość szeroki i obejmuje systemy kosmiczne, samoloty i helikoptery (kontrola drgań, hałasu, zmiany kształtu, rozkład naprężeń i stabilność aeroelastyczna), systemy morskie (statki i łodzie podwodne), a także technologie ochrony.
Bardzo interesująca jest jedna z tendencji do redukcji drgań (drgań), która występuje w układach konstrukcyjnych. W najbardziej obciążonych punktach umieszczane są specjalne czujniki (składające się z wielowarstwowej ceramiki piezoelektrycznej) w celu wykrycia drgań. Po przeanalizowaniu sygnałów wywołanych drganiami, mikroprocesor wysyła sygnał (proporcjonalny do analizowanego sygnału) do siłownika, który odpowiada odpowiednim ruchem zdolnym do zahamowania drgań. US Army Office of Applied Aviation Technology i NASA przetestowały podobne aktywne systemy w celu zmniejszenia drgań niektórych elementów śmigłowca CH-47, a także ogonów myśliwca F-18. FDA rozpoczęła już integrację materiałów aktywnych z łopatami wirnika w celu kontrolowania wibracji.
W konwencjonalnym wirniku głównym łopatki są narażone na wysokie wibracje spowodowane obrotem i wszystkimi powiązanymi zjawiskami. Z tego powodu oraz w celu ograniczenia drgań i ułatwienia kontroli obciążeń działających na łopatki testowano łopatki aktywne o dużej wytrzymałości na zginanie. W specjalnym teście (tzw. „embedded twisting circuit”), gdy zmienia się kąt natarcia, ostrze jest skręcane na całej swojej długości dzięki zintegrowanemu kompozytowi z włókien aktywnych AFC (włókno elektroceramiczne osadzone w miękkiej matrycy polimerowej). w strukturę ostrza. Aktywne włókna są ułożone warstwami, jedna warstwa nad drugą, na górnej i dolnej powierzchni łopatki pod kątem 45 stopni. Praca aktywnych włókien wytwarza w ostrzu rozłożone naprężenia, które powodują odpowiednie wygięcie w całej łopacie, co może zrównoważyć drgania wahadłowe. Kolejny test („aktywacja dyskretnych kołysań”) charakteryzuje się powszechnym stosowaniem mechanizmów piezoelektrycznych (siłowników) do sterowania drganiami: siłowniki są umieszczone w konstrukcji łopaty, aby sterować pracą niektórych deflektorów umieszczonych wzdłuż krawędzi spływu. W ten sposób zachodzi reakcja aeroelastyczna, która może zneutralizować drgania generowane przez śmigło. Oba rozwiązania zostały ocenione na prawdziwym śmigłowcu CH-47D w teście zwanym MiT Hower Test Sand.
Rozwój morfingowych elementów konstrukcyjnych otwiera nowe perspektywy w projektowaniu konstrukcji o zwiększonej złożoności, przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu ich wagi i kosztów. Znaczne zmniejszenie poziomu drgań przekłada się na: zwiększoną żywotność konstrukcji, mniej kontroli integralności konstrukcji, zwiększoną opłacalność projektów końcowych, ponieważ konstrukcje są narażone na mniejsze wibracje, większy komfort, lepszą wydajność lotu i kontrolę hałasu w śmigłowcach.
Według NASA oczekuje się, że w ciągu najbliższych 20 lat zapotrzebowanie na wysokowydajne systemy lotnicze, które staną się lżejsze i bardziej kompaktowe, będzie wymagało szerszego stosowania projektów morfingu.
Materiały samoleczące
Materiały samonaprawiające należące do klasy materiałów inteligentnych są w stanie samodzielnie naprawić uszkodzenia spowodowane naprężeniami mechanicznymi lub wpływami zewnętrznymi. Podczas opracowywania tych nowych materiałów jako źródło inspiracji wykorzystano systemy naturalne i biologiczne (na przykład rośliny, niektóre zwierzęta, ludzka skóra itp.) (w rzeczywistości na początku nazywano je materiałami biotechnologicznymi). Dziś samonaprawiające się materiały można znaleźć w zaawansowanych kompozytach, polimerach, metalach, ceramice, powłokach antykorozyjnych i farbach. Szczególny nacisk kładziony jest na ich zastosowanie w zastosowaniach kosmicznych (badania na dużą skalę prowadzi NASA i Europejska Agencja Kosmiczna), które charakteryzują się próżnią, dużymi różnicami temperatur, drganiami mechanicznymi, promieniowaniem kosmicznym, a także redukcją uszkodzeń spowodowane przez zderzenia ze śmieciami kosmicznymi i mikrometeorytami. Ponadto materiały samonaprawiające są niezbędne w przemyśle lotniczym i obronnym. Nowoczesne kompozyty polimerowe stosowane w lotnictwie i wojsku są podatne na uszkodzenia spowodowane ogniem mechanicznym, chemicznym, termicznym, wroga lub kombinacją tych czynników. Ponieważ uszkodzenia wewnątrz materiałów są trudne do zauważenia i naprawy, idealnym rozwiązaniem byłoby wyeliminowanie uszkodzeń, które wystąpiły na poziomie nano i mikro oraz przywrócenie materiału do jego pierwotnych właściwości i stanu. Technologia opiera się na systemie, zgodnie z którym materiał zawiera mikrokapsułki dwóch różnych typów, z których jedna zawiera składnik samoregenerujący, a druga pewien katalizator. W przypadku uszkodzenia materiału mikrokapsułki ulegają zniszczeniu, a ich zawartość może ze sobą reagować, wypełniając ubytki i przywracając integralność materiału. Tym samym materiały te w znacznym stopniu przyczyniają się do bezpieczeństwa i trwałości zaawansowanych kompozytów w nowoczesnych samolotach, jednocześnie eliminując potrzebę kosztownego aktywnego monitorowania lub zewnętrznej naprawy i/lub wymiany. Pomimo właściwości tych materiałów, istnieje potrzeba poprawy trwałości materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym, a do tej roli proponuje się wielowarstwowe nanorurki węglowe i systemy epoksydowe. Te odporne na korozję materiały zwiększają wytrzymałość na rozciąganie i właściwości tłumiące kompozytów i nie zmieniają odporności na szok termiczny. Interesujące jest również opracowanie materiału kompozytowego z osnową ceramiczną - kompozycją osnowy, która przekształca każdą cząsteczkę tlenu (wnikającą w materiał w wyniku uszkodzenia) w cząsteczkę krzemowo-tlenową o niskiej lepkości, która może ulec uszkodzeniu w wyniku do efektu kapilarnego i wypełnij je. NASA i Boeing eksperymentują z samonaprawiającymi się pęknięciami w strukturach lotniczych przy użyciu matrycy elastomeru polidimetylosiloksanowego z osadzonymi mikrokapsułkami.
Materiały samoleczące są w stanie naprawić uszkodzenia poprzez zamknięcie szczeliny wokół przebijanego przedmiotu. Oczywiście takie możliwości są badane na poziomie obronnym, zarówno w przypadku pojazdów opancerzonych i czołgów, jak i systemów ochrony osobistej.
Materiały samonaprawiające do zastosowań wojskowych wymagają dokładnej oceny zmiennych związanych z hipotetycznym uszkodzeniem. W takim przypadku uszkodzenie uderzenia zależy od:
- energia kinetyczna wywołana pociskiem (masa i prędkość), - projekty systemów (geometria zewnętrzna, materiały, opancerzenie) oraz
- analiza geometrii kolizji (kąt spotkania).
Mając to na uwadze, DARPA i US Army Laboratories eksperymentują z najbardziej zaawansowanymi materiałami samoleczącymi. W szczególności, funkcje naprawcze mogą być zainicjowane przez penetrację pocisku, gdzie uderzenie balistyczne powoduje miejscowe nagrzanie materiału, umożliwiając samoleczenie.
Bardzo ciekawe są badania i testy szkła samoregenerującego się, w którym pęknięcia spowodowane działaniem mechanicznym są wypełniane cieczą. Szkło samoregenerujące może być stosowane do produkcji kuloodpornych szyb pojazdów wojskowych, co pozwoli żołnierzom zachować dobrą widoczność. Może również znaleźć zastosowanie w innych dziedzinach, lotnictwie, wyświetlaczach komputerowych itp.
Jednym z głównych wyzwań przyszłości jest wydłużenie żywotności zaawansowanych materiałów stosowanych w elementach konstrukcyjnych i powłokach. Badane są następujące materiały:
- samonaprawiające się materiały na bazie grafenu (dwuwymiarowy nanomateriał półprzewodnikowy składający się z jednej warstwy atomów węgla), - zaawansowane żywice epoksydowe, - materiały wystawione na działanie promieni słonecznych, - mikrokapsułki antykorozyjne do powierzchni metalowych, - elastomery odporne na uderzenie pocisku oraz
nanorurki węglowe stosowane jako dodatkowy składnik w celu zwiększenia wydajności materiału.
Znaczna liczba materiałów o tych właściwościach jest obecnie testowana i badana eksperymentalnie.
Wyjście
Przez wiele lat inżynierowie często proponowali obiecujące koncepcyjnie projekty, ale nie mogli ich zrealizować ze względu na brak odpowiednich materiałów do ich praktycznej realizacji. Dziś głównym celem jest tworzenie lekkich konstrukcji o wyjątkowych właściwościach mechanicznych. Współczesny postęp w nowoczesnych materiałach (materiały inteligentne i nanokompozyty) odgrywa kluczową rolę, pomimo całej złożoności, gdy cechy są często bardzo ambitne, a czasem nawet sprzeczne. Obecnie wszystko zmienia się w kalejdoskopie, bo nowy materiał, którego produkcja dopiero się rozpoczyna, jest następny, na którym przeprowadzają eksperymenty i testy. Przemysł lotniczy i obronny może czerpać wiele korzyści z tych niesamowitych materiałów.
