"Netradicionalni materijali" jedno je od najvažnijih područja razvoja tehnologije u vojnoj i zrakoplovnoj industriji. Materijali moraju učiniti više od toga da služe samo kao potporna konstrukcija - oni moraju biti pametni materijali
Pametni materijali posebna su klasa materijala koji imaju sposobnost djelovanja kao pokretač i senzor, pružajući potrebne mehaničke deformacije povezane s promjenama temperature, električne struje ili magnetskog polja. Budući da se kompozitni materijali sastoje od više materijala i zbog suvremenog tehnološkog napretka, sada je moguće uključiti i druge materijale (ili strukture) u proces pružanja integrirane funkcionalnosti u područjima kao što su:
- Morfiranje, - samoizlječenje, - Percepcija, - Zaštita od udara groma, i
- Pohrana energije.
U ovom ćemo se članku usredotočiti na prva dva područja.
Materijali za preslikavanje i strukture za oblikovanje
Materijali za preslikavanje uključuju one materijale koji, prateći ulazne signale, mijenjaju svoje geometrijske parametre i koji mogu vratiti svoj izvorni oblik kada vanjski signali prestanu.
Ti se materijali, zbog reakcije u obliku promjene oblika, koriste kao pokretači, ali se mogu koristiti i na suprotan način, odnosno kao senzori u kojima se vanjski utjecaj na materijal pretvara u signal. Zrakoplovna primjena ovih materijala je raznolika: senzori, aktuatori, prekidači u električnim instalacijama i aparatima, avionika i spojevi u hidrauličkim sustavima. Prednosti su: izuzetna pouzdanost, dug radni vijek, bez propuštanja, niski troškovi ugradnje i značajno smanjenje održavanja. Konkretno, među pokretačima izrađenim od materijala koji se mijenjaju i legura s memorijom oblika posebno su zanimljivi aktuatori za automatsko upravljanje zračnim elektroničkim sustavima hlađenja i pokretači za zatvaranje / otvaranje prigušivača vodilica u klimatizacijskim sustavima kokpita.
Materijali koji mijenjaju oblik kao posljedica primjene električnog polja uključuju piezoelektrične materijale (fenomen polarizacije materijala s kristalnom strukturom pod djelovanjem mehaničkih naprezanja (izravan piezoelektrični učinak) i mehaničke deformacije pod djelovanjem električnog polja (obrnuti piezoelektrični učinak)) i elektrostrikcijski materijali. Razlika leži u odzivu na primijenjeno električno polje: piezoelektrični materijal se može produljiti ili skratiti, dok se elektrostrikcijski materijal samo produljuje, bez obzira na smjer primijenjenog polja. U slučaju senzora, napon generiran mehaničkim naprezanjem mjeri se i obrađuje kako bi se dobile informacije o istom naprezanju. Ovi materijali s izravnim piezoelektričnim učinkom naširoko se koriste u senzorima ubrzanja i opterećenja, akustičnim senzorima. Ostali materijali na temelju obrnutog piezoelektričnog učinka koriste se u svim aktuatorima; često se koriste u optičkim sustavima za izvidničke satelite jer su sposobni prilagoditi položaj leća i ogledala s nanometarskom preciznošću. Navedeni materijali također su uključeni u strukture koje se mijenjaju kako bi promijenile određene geometrijske karakteristike i tim strukturama dale posebna dodatna svojstva. Morph struktura (koja se naziva i pametna struktura ili aktivna struktura) sposobna je osjetiti promjene u vanjskim uvjetima zbog rada senzorskog / elektromehaničkog sustava pretvarača ugrađenog u nju. Na taj način (zbog prisutnosti jednog ili više mikroprocesora i energetske elektronike) mogu se izazvati odgovarajuće promjene u skladu s podacima koji dolaze sa senzora, dopuštajući strukturi prilagodbu vanjskim promjenama. Takav aktivni nadzor primjenjiv je ne samo na vanjski ulazni signal (npr. Mehanički tlak ili promjena oblika), već i na promjene unutarnjih karakteristika (npr. Oštećenje ili kvar). Područje primjene je prilično široko i uključuje svemirske sustave, zrakoplove i helikoptere (kontrola vibracija, buke, promjenu oblika, raspodjelu naprezanja i aeroelastičnu stabilnost), pomorske sustave (brodove i podmornice), kao i zaštitne tehnologije.
Jedna od tendencija smanjenja vibracija (vibracija) koja se javlja u strukturnim sustavima vrlo je zanimljiva. Posebni senzori (koji se sastoje od višeslojne piezoelektrične keramike) postavljeni su na najopterećenije točke radi otkrivanja vibracija. Nakon analize signala izazvanih vibracijama, mikroprocesor šalje signal (proporcionalan analiziranom signalu) aktuatoru, koji reagira odgovarajućim pokretom sposobnim inhibirati vibracije. Ured američke vojske za primijenjenu zrakoplovnu tehnologiju i NASA testirali su slične aktivne sustave kako bi smanjili vibracije nekih elemenata helikoptera CH-47, kao i repnih aviona lovca F-18. FDA je već počela integrirati aktivne materijale u lopatice rotora radi kontrole vibracija.
U konvencionalnom glavnom rotoru, lopatice pate od visokih razina vibracija uzrokovanih rotacijom i svim povezanim pojavama. Iz tog razloga, a kako bi se smanjile vibracije i olakšala kontrola opterećenja koja djeluju na noževe, ispitane su aktivne lopatice velike sposobnosti savijanja. U posebnoj vrsti ispitivanja (zvanom "ugrađeni krug uvijanja"), kada se promijeni napadni kut, oštrica se uvije po cijeloj dužini zahvaljujući aktivnom vlaknu kompozitu AFC (elektrokeramičko vlakno ugrađeno u mekanu polimernu matricu) integrirano u strukturu oštrice. Aktivna vlakna složena su slojevima, jedan sloj iznad drugog, na gornju i donju površinu oštrice pod kutom od 45 stupnjeva. Rad aktivnih vlakana stvara raspodijeljeno naprezanje u oštrici, što uzrokuje odgovarajuće savijanje po cijeloj oštrici, što može uravnotežiti vibracije zamaha. Još jedno ispitivanje ("aktiviranje diskretnih zamaha") karakterizira široka upotreba piezoelektričnih mehanizama (aktuatora) za kontrolu vibracija: aktuatori su postavljeni u strukturu lopatica za kontrolu rada nekih deflektora koji se nalaze uz zadnji rub. Tako dolazi do aeroelastične reakcije koja može neutralizirati vibracije koje stvara propeler. Obje su otopine ocijenjene na pravom helikopteru CH-47D u testu nazvanom MiT Hower Test Sand.
Razvoj morfirajućih strukturnih elemenata otvara nove perspektive u projektiranju konstrukcija povećane složenosti, dok se njihova težina i cijena značajno smanjuju. Značajno smanjenje razine vibracija prevodi se u: povećani vijek trajanja konstrukcije, manje provjera integriteta konstrukcije, povećanu isplativost konačnih projekata jer su strukture podložne manjim vibracijama, veću udobnost, poboljšane performanse leta i kontrolu buke u helikopterima.
Prema NASA -i, očekuje se da će u sljedećih 20 godina potreba za zrakoplovnim sustavima visokih performansi koji će postati lakši i kompaktniji zahtijevati opsežniju upotrebu dizajna morfovanja.
Materijali za samoiscjeljivanje
Samoiscjeljujući materijali koji pripadaju klasi pametnih materijala mogu samostalno popraviti oštećenja uzrokovana mehaničkim naprezanjem ili vanjskim utjecajima. Prilikom razvoja ovih novih materijala, prirodni i biološki sustavi (na primjer, biljke, neke životinje, ljudska koža itd.) Korišteni su kao izvor nadahnuća (zapravo, u početku su se zvali biotehnološki materijali). Danas se samoiscjeljujući materijali mogu pronaći u naprednim kompozitima, polimerima, metalima, keramici, premazima i bojama protiv korozije. Poseban naglasak stavljen je na njihovu primjenu u svemirskim aplikacijama (opsežna istraživanja provode NASA i Europska svemirska agencija), koje karakteriziraju vakuum, velike temperaturne razlike, mehaničke vibracije, kozmičko zračenje, kao i smanjenje oštećenja uzrokovane sudarima s svemirskim krhotinama i mikrometeoritima. Osim toga, materijali za samoiscjeljivanje neophodni su za zrakoplovnu i obrambenu industriju. Suvremeni polimerni kompoziti koji se koriste u zrakoplovnoj i vojnoj primjeni osjetljivi su na oštećenja uzrokovana mehaničkom, kemijskom, toplinskom, neprijateljskom vatrom ili kombinacijom ovih čimbenika. Budući da je oštećenja unutar materijala teško uočiti i popraviti, idealno rješenje bilo bi ukloniti oštećenja nastala na nano i mikro razini te vratiti materijal u njegova izvorna svojstva i stanje. Tehnologija se temelji na sustavu prema kojem materijal uključuje mikrokapsule dva različita tipa, jedan koji sadrži samoiscjeljujuću komponentu, a drugi određeni katalizator. Ako je materijal oštećen, mikrokapsule se uništavaju i njihov sadržaj može međusobno reagirati, popunjavajući oštećenja i obnavljajući integritet materijala. Stoga ti materijali uvelike doprinose sigurnosti i trajnosti naprednih kompozita u modernim zrakoplovima, dok istovremeno uklanjaju potrebu za skupim aktivnim praćenjem ili vanjskim popravkom i / ili zamjenom. Unatoč karakteristikama ovih materijala, postoji potreba za poboljšanjem održivosti materijala koje koristi zrakoplovna industrija, pa se za tu ulogu predlažu višeslojne ugljične nanocijevi i epoksidni sustavi. Ovi materijali otporni na koroziju povećavaju vlačnu čvrstoću i svojstva prigušenja kompozita i ne mijenjaju otpornost na toplinski udar. Također je zanimljivo razviti kompozitni materijal s keramičkom matricom - sastav matriksa koji pretvara svaku molekulu kisika (prodire u materijal kao posljedicu oštećenja) u česticu silicija i kisika niske viskoznosti, koja može protjecati u oštećenja zbog do kapilarnog učinka i napuni ih. NASA i Boeing eksperimentiraju sa samozdravljujućim pukotinama u zrakoplovnim strukturama pomoću polidimetilsiloksanske elastomerne matrice s ugrađenim mikrokapsulama.
Materijali za samoiscjeljivanje mogu popraviti oštećenja zatvaranjem razmaka oko probušenog predmeta. Očito se takve sposobnosti proučavaju na razini obrane, kako za oklopna vozila i tenkove, tako i za sustave osobne zaštite.
Materijali za samoiscjeljivanje za vojne primjene zahtijevaju pažljivu procjenu varijabli povezanih s hipotetičkim oštećenjima. U tom slučaju šteta od udara ovisi o:
- kinetička energija nastala zbog metka (masa i brzina), - projektiranje sustava (vanjska geometrija, materijali, oklopi), i
- geometrijska analiza sudara (kut susreta).
Imajući to na umu, DARPA i laboratoriji američke vojske eksperimentiraju s najnaprednijim materijalima za samoiscjeljivanje. Konkretno, restorativne funkcije mogu se pokrenuti prodorom metka gdje balistički udar uzrokuje lokalizirano zagrijavanje materijala, što omogućuje samoizlječenje.
Vrlo su zanimljiva proučavanja i ispitivanja samozdravljujućeg stakla u kojima se pukotine uzrokovane nekim mehaničkim djelovanjem ispunjavaju tekućinom. Staklo za samoliječenje može se koristiti u proizvodnji neprobojnih vjetrobrana vojnih vozila, što bi vojnicima omogućilo dobru vidljivost. Također može pronaći primjenu u drugim poljima, zrakoplovstvu, računalnim zaslonima itd.
Jedan od budućih velikih izazova je produljenje vijeka trajanja naprednih materijala koji se koriste u strukturnim elementima i premazima. Istražuju se sljedeći materijali:
-samoiscjeljujući materijali na bazi grafena (dvodimenzionalni poluvodički nanomaterijal koji se sastoji od jednog sloja ugljikovih atoma), - napredne epoksidne smole, - materijali izloženi sunčevoj svjetlosti, - mikrokapsule protiv korozije za metalne površine, - elastomeri sposobni izdržati udar metaka, i
ugljikove nanocijevi koje se koriste kao dodatna komponenta za poboljšanje performansi materijala.
Značajan broj materijala s ovim karakteristikama trenutno se ispituje i eksperimentalno istražuje.
Izlaz
Inženjeri su dugi niz godina često predlagali konceptualno obećavajuće projekte, ali ih nisu mogli provesti zbog nedostupnosti odgovarajućih materijala za njihovu praktičnu provedbu. Danas je glavni cilj stvaranje lakih konstrukcija s izvanrednim mehaničkim svojstvima. Suvremeni napredak u suvremenim materijalima (pametni materijali i nanokompoziti) igra ključnu ulogu, unatoč svoj složenosti, kada su karakteristike često vrlo ambiciozne, a ponekad čak i proturječne. Trenutno se sve mijenja kaleidoskopskom brzinom, za novi materijal čija proizvodnja tek počinje, postoji sljedeći, na kojem provode pokuse i ispitivanja. Zrakoplovna i obrambena industrija mogu izvući mnoge koristi od ovih nevjerojatnih materijala.
