"Салттуу эмес материалдар"-аскердик жана аэрокосмостук тармактарда технологияларды өнүктүрүүнүн эң маанилүү багыттарынын бири. Материалдар жөн гана колдоо структурасы катары кызмат кылбастан, акылдуу материалдар болушу керек
Акылдуу материалдар - бул температуранын, электр тогунун же магнит талаасынын өзгөрүшү менен байланышкан керектүү механикалык деформацияларды камсыз кылуучу жана сенсор катары иштөө жөндөмүнө ээ болгон материалдардын өзгөчө классы. Композиттик материалдар бир эмес, бир нече материалдан тургандыктан жана заманбап технологиялык прогресстин эсебинен азыр башка тармактарды интегралдык функционалдык камсыздоо процессине башка материалдарды (же конструкцияларды) кошууга болот:
- Морфинг, - Өзүн-өзү айыктыруу, - Кабыл алуу, - Чагылган коргоо, жана
- Энергияны сактоо.
Бул макалада биз биринчи эки багытка токтолобуз.
Морфингдик материалдар жана структуралар
Морфинг материалдарына кирген сигналдарды ээрчип геометриялык параметрлерин өзгөрткөн жана тышкы сигналдар токтогондо баштапкы формасын калыбына келтире ала турган материалдар кирет.
Бул материалдар формасынын өзгөрүшү түрүндөгү реакциясына байланыштуу, кыймылдаткыч катары колдонулат, бирок алар тескерисинче, башкача айтканда, материалга тышкы таасир тийгизүүчү сенсорлор катары колдонулушу мүмкүн. сигнал. Бул материалдардын аэрокосмостук колдонмолору ар түрдүү: сенсорлор, кыймылдаткычтар, электрдик түзүлүштөрдөгү жана аппараттардагы өчүргүчтөр, авионика жана гидравликалык системалардагы байланыштар. Артыкчылыктары болуп төмөнкүлөр саналат: өзгөчө ишенимдүүлүк, узак кызмат мөөнөтү, эч кандай агуу, орнотуунун арзандыгы жана тейлөөнүн олуттуу кыскарышы. Тактап айтканда, морфингдик материалдардан жана эстутум эритмелеринен жасалган кыймылдаткычтардын арасында, авионикалык муздатуу системасын автоматтык түрдө башкаруучу кыймылдаткычтар жана кокпит кондиционер тутумдарындагы гидроамперлерди жабуу / ачуу үчүн аткаруучу аппараттар өзгөчө кызыгууну жаратат.
Электр талаасын колдонуунун натыйжасында формасын өзгөрткөн материалдарга пьезоэлектрдик материалдар (механикалык стресстин таасири астында кристаллдык структурасы бар материалдардын поляризациялоо кубулушу (түз пьезоэлектр эффекти) жана электр талаасынын таасири астында механикалык деформациялар кирет) тескери пьезоэлектр эффекти)) жана электростриктивдүү материалдар. Айырмасы колдонулган электр талаасына жоопто болот: пьезоэлектрдик материал узартылышы же кыскарышы мүмкүн, ал эми электростриктивдүү материал колдонулган талаанын багытына карабастан узарат. Сенсорлордо механикалык стресстен пайда болгон чыңалуу ошол эле стресс жөнүндө маалымат алуу үчүн өлчөнөт жана иштетилет. Түз пьезоэлектр эффектиси бар бул материалдар ылдамдануу жана жүктөө сенсорлорунда, акустикалык сенсорлордо кеңири колдонулат. Бардык кыймылдаткычтарда тескери пьезоэлектрдик эффектке негизделген башка материалдар колдонулат; алар көбүнчө спутниктерди чалгындоо үчүн оптикалык системаларда колдонулат, анткени алар линометрлердин жана күзгүлөрдүн абалын нанометрдик тактык менен жөнгө салууга жөндөмдүү. Жогоруда айтылган материалдар кээ бир геометриялык мүнөздөмөлөрдү өзгөртүү жана бул түзүлүштөргө өзгөчө кошумча касиеттерди берүү максатында морфингдик структураларга киргизилген. Морф структурасы (ошондой эле акылдуу структура же активдүү структура деп аталат) ага орнотулган сенсордун / электромеханикалык өзгөрткүч системасынын ишине байланыштуу тышкы шарттардын өзгөрүшүн сезе алат. Ушундай жол менен (бир же бир нече микропроцессорлордун жана күч электроникасынын болушунан улам), структуранын тышкы өзгөрүүлөргө ыңгайлашуусуна мүмкүндүк берүүчү, сенсорлордон келген маалыматтарга ылайык тиешелүү өзгөртүүлөрдү киргизүүгө болот. Мындай активдүү байкоо тышкы сигналга (мисалы, механикалык басым же форманын өзгөрүшү) гана эмес, ички мүнөздөмөлөрдүн өзгөрүшүнө (мисалы, бузулуу же бузулуу) да тиешелүү. Колдонуу чөйрөсү абдан кенен жана космостук системаларды, учактарды жана вертолетторду (дирилдөөнү, ызы -чууну, форманын өзгөрүшүн, стресстин бөлүштүрүлүшүн жана аэроэластикалык туруктуулукту), деңиз системаларын (кемелер жана суу астындагы кемелер), ошондой эле коргоо технологияларын камтыйт.
Структуралык системаларда пайда болгон титирөөнү (вибрация) азайтуу тенденцияларынын бири абдан кызыктуу. Вибрацияларды аныктоо үчүн эң катуу чыңалган жерлерге атайын сенсорлор (көп катмарлуу пьезоэлектрдик керамикадан турат) коюлат. Вибрациядан келип чыккан сигналдарды анализдегенден кийин, микропроцессор сигналды (анализделген сигналга пропорционалдуу) жөнөтүүчүгө жөнөтөт, ал дирилдөөнү ингибирлей турган жөндөмдүү кыймылга жооп берет. АКШнын армиясынын прикладдык авиациялык технологиялар офиси жана НАСА CH-47 тик учагынын кээ бир элементтеринин, ошондой эле F-18 истребителинин куйрук учактарынын термелүүсүн азайтуу үчүн ушундай активдүү системаларды сыноодон өткөрүштү. FDA дирилдөөнү көзөмөлдөө үчүн активдүү материалдарды ротордун пышактарына интеграциялоону баштады.
Кадимки негизги ротордо пышактар айлануудан жана ага байланыштуу бардык кубулуштардан келип чыккан вибрациялардын жогорку деңгээлинен жабыркашат. Ушул себептен улам, титирөөнү азайтуу жана пышактарга таасир этүүчү жүктөрдү башкарууну жеңилдетүү үчүн ийилүү жөндөмдүүлүгү жогору активдүү пышактар сыналды. Сыноонун өзгөчө түрүндө ("камтылган бурулуш схемасы" деп аталат), чабуул бурчу өзгөргөндө, активдүү була курамдуу АФКнын (жумшак полимер матрицасына камтылган электро-керамикалык була) жардамы менен бычак бүт узундугу боюнча буралат. бычактын структурасына кирет. Активдүү булалар 45 градус бурчта бычактын үстүнкү жана астыңкы беттеринде бир катмар, экинчисинин үстүнө катталган. Активдүү булалардын иши бычакта бөлүштүрүлгөн чыңалууну жаратат, бул пышактын бүтүндөй ийилишине алып келет, бул селкинчек термелүүсүн тең салмактай алат. Дагы бир сыноо ("дискреттик селкинчектердин активациясы") дирилдөөнү көзөмөлдөө үчүн пьезоэлектрдик механизмдерди (кыймылдаткычтарды) кеңири колдонуу менен мүнөздөлөт: кыймылдаткычтар арткы четинде жайгашкан кээ бир дефлекторлордун ишин көзөмөлдөө үчүн пышактын структурасына жайгаштырылган. Ошентип, пропелдин пайда кылган термелүүсүн нейтралдаштыра ала турган аэробласттык реакция пайда болот. Эки чечим тең чыныгы CH-47D тик учагында MiT Hower Test Sand деп аталган тестте бааланды.
Морфингдик структуралык элементтерди иштеп чыгуу татаалдыгы жогорулаган конструкцияларды долбоорлоодо жаңы перспективаларды ачат, ошол эле учурда алардын салмагы жана наркы кыйла төмөндөйт. Вибрация деңгээлинин кескин төмөндөшү төмөнкүлөрдү билдирет: структуранын иштөө мөөнөтүнүн жогорулашы, структуранын бүтүндүгүнүн аздыгы, акыркы конструкциялардын кирешелүүлүгүнүн жогорулашы, анткени структуралар азыраак дирилдөөгө, жайлуулуктун жогорулашына, учуунун иштөөсүнүн жакшырышына жана вертолеттордо ызы -чуунун көзөмөлүнө.
НАСАнын маалыматы боюнча, кийинки 20 жылдын ичинде жеңил жана компакт боло турган жогорку өндүрүмдүү учак системаларына болгон муктаждык морфинг дизайнын кеңири колдонууну талап кылат деп күтүлүүдө.
Өзүн-өзү айыктыруучу материалдар
Акылдуу материалдар классына кирген өзүн-өзү айыктыруучу материалдар механикалык стресстен же тышкы таасирлерден келип чыккан зыянды өз алдынча оңдоого жөндөмдүү. Бул жаңы материалдарды иштеп чыгууда илхам булагы катары табигый жана биологиялык системалар (мисалы, өсүмдүктөр, кээ бир жаныбарлар, адамдын териси ж. Б.) Колдонулган (чындыгында алар башында биотехнологиялык материалдар деп аталган). Бүгүнкү күндө өзүн өзү айыктыруучу материалдарды өнүккөн композиттерден, полимерлерден, металлдардан, керамикадан, коррозияга каршы жабуулардан жана боектордон табууга болот. Вакуум, температуранын чоң айырмачылыктары, механикалык термелүүлөр, космостук нурлануу менен мүнөздөлгөн космостук колдонмолордо (масштабдуу изилдөөлөр НАСА жана Европалык Агенттик тарабынан жүргүзүлүүдө) өзгөчө көңүл бурулат, ошондой эле бузулууну азайтуу үчүн. космос калдыктары жана микрометеориттер менен кагылышуудан улам келип чыккан. Мындан тышкары, өзүн-өзү айыктыруучу материалдар авиация жана коргонуу өнөр жайы үчүн өтө зарыл. Аэрокосмостук жана аскердик колдонмолордо колдонулган заманбап полимердик композиттер механикалык, химиялык, жылуулук, душмандын оту же ушул факторлордун айкалышынан келип чыккан зыянга дуушар болушат. Материалдардын ичиндеги бузулууларды байкоо жана оңдоо кыйын болгондуктан, идеалдуу чечим нано жана микро деңгээлде болгон зыянды жоюу жана материалды баштапкы касиеттерине жана абалына келтирүү болмок. Технология системага негизделген, ага ылайык, материал эки түрдүү типтеги микрокапсулаларды камтыйт, бири өзүн-өзү айыктыруучу компонентти, экинчиси белгилүү катализаторду камтыйт. Эгерде материал бузулган болсо, микрокапсулалар бузулат жана алардын курамы бири -бири менен реакцияга кирип, бузулууну толтуруп, материалдын бүтүндүгүн калыбына келтирет. Ошентип, бул материалдар кымбат баалуу активдүү мониторингге же тышкы оңдоого жана / же алмаштырууга болгон муктаждыкты жок кылуу менен бирге, заманбап учактардын алдыңкы композиттеринин коопсуздугуна жана бышыктыгына чоң салым кошот. Бул материалдардын мүнөздөмөлөрүнө карабастан, аэрокосмостук индустрияда колдонулуучу материалдардын туруктуулугун жогорулатуу муктаждыгы бар жана бул ролго көп катмарлуу көмүр нанотүтүктөрү жана эпоксид системалары сунушталган. Бул коррозияга чыдамдуу материалдар композиттердин чыңалуу күчүн жана демпфердик касиеттерин жогорулатат жана жылуулук шок каршылыгын өзгөртпөйт. Керамикалык матрицасы бар курама материалды иштеп чыгуу да кызыктуу - ар бир кычкылтек молекуласын (материалдын бузулушунун натыйжасында кирип кеткен) кремний -кычкылтек бөлүкчөсүнө, илешкектүүлүгү төмөн болгон, улам зыянга учурашы мүмкүн болгон матрицалык курамды иштеп чыгуу кызыктуу. капиллярдык эффектке чейин жана аларды толтуруу. НАСА жана Боинг аэрокосмостук структуралардагы жаракаларды полидиметилсилоксан эластомер матрицасын колдонуп, микрокапсулалар менен эксперимент кылып жатышат.
Өзүн-өзү айыктыруучу материалдар тешилген нерсенин тегерегиндеги боштукту жабуу менен бузулууну оңдоого жөндөмдүү. Албетте, мындай мүмкүнчүлүктөр коргонуу деңгээлинде изилденүүдө, бронетранспортерлор менен танктар үчүн да, жеке коргонуу системалары үчүн да.
Аскердик колдонмолор үчүн өзүн-өзү айыктыруучу материалдар гипотетикалык зыянга байланышкан өзгөрмөлөрдү кылдат баалоону талап кылат. Бул учурда, зыян келтирилген зыян көз каранды:
- окко байланыштуу кинетикалык энергия (массасы жана ылдамдыгы), - системанын конструкциялары (тышкы геометрия, материалдар, соот) жана
- кагылышуу геометриясын анализдөө (жолугушуу бурчу).
Муну эске алып, DARPA жана АКШ армиясынын лабораториялары эң өнүккөн өзүн-өзү айыктыруучу материалдар менен тажрыйба жүргүзүшүүдө. Атап айтканда, калыбына келтирүүчү функцияларды баллистикалык таасир материалдын локалдаштырылган ысытылышына алып келген ок өтүүсү менен баштоого болот, бул өзүн-өзү айыктырууга мүмкүндүк берет.
Өзүн-өзү айыктыруучу айнектин изилдөөлөрү жана сыноолору абдан кызыктуу, анда кээ бир механикалык аракеттерден улам пайда болгон жаракалар суюктукка толтурулат. Өзүн-өзү айыктыруучу айнек аскер машиналарынын ок өтпөс алдыңкы айнектерин жасоодо колдонулушу мүмкүн, бул жоокерлерге жакшы көрүнүүнү сактоого мүмкүндүк берет. Ал ошондой эле башка тармактарда, авиацияда, компьютердик дисплейлерде ж.
Келечектеги негизги көйгөйлөрдүн бири - структуралык элементтерде жана каптоолордо колдонулган өнүккөн материалдардын өмүрүн узартуу. Төмөндөгү материалдар иликтенүүдө:
-графенге негизделген өзүн-өзү калыбына келтирүүчү материалдар (көмүртек атомдорунун бир катмарынан турган эки өлчөмдүү жарым өткөргүч наноматериал), - өнүккөн эпоксиддүү чайырлар, - күн нуруна тийген материалдар, - металл беттери үчүн коррозияга каршы микрокапсулалар, - ок тийгенге туруштук берүүгө жөндөмдүү эластомерлер жана
көмүртек нанотрубалары материалдын иштөөсүн жакшыртуу үчүн кошумча компонент катары колдонулат.
Бул мүнөздөмөлөргө ээ болгон материалдардын олуттуу саны учурда эксперименталдык түрдө текшерилип жана иликтенүүдө.
Output
Көп жылдар бою инженерлер көп учурда концептуалдуу келечектүү долбоорлорду сунушташкан, бирок аларды практикалык ишке ашыруу үчүн тийиштүү материалдардын жетишсиздигинен улам ишке ашыра алышкан эмес. Бүгүнкү күндө негизги максат - эң сонун механикалык касиеттери бар жеңил конструкцияларды түзүү. Заманбап материалдардын заманбап прогресси (акылдуу материалдар жана нанокомпозиттер) мүнөздөмөлөрү көбүнчө абдан дымактуу, кээде ал тургай карама -каршы келген учурда, бардык татаалдыгына карабастан, негизги ролду ойнойт. Азыркы учурда баары калейдоскопиялык ылдамдык менен өзгөрүүдө, жаңы материал үчүн, өндүрүшү жаңы башталып жатат, экинчиси бар, алар боюнча эксперименттерди жана сыноолорду жүргүзүшөт. Аэрокосмостук жана коргонуу өнөр жайы бул кереметтүү материалдардан көптөгөн пайдаларды ала алат.
