„Materialele netradiționale” este unul dintre cele mai importante domenii de dezvoltare a tehnologiei din industria militară și aerospațială. Materialele trebuie să facă mai mult decât să servească drept structură de susținere - trebuie să fie materiale inteligente
Materialele inteligente sunt o clasă specială de materiale care au capacitatea de a acționa ca un actuator și ca un senzor, oferind deformările mecanice necesare asociate cu modificările de temperatură, curent electric sau câmp magnetic. Deoarece materialele compozite sunt compuse din mai multe materiale și datorită progresului tehnologic modern, este acum posibil să se includă alte materiale (sau structuri) în procesul de furnizare a funcționalității integrate în domenii precum:
- Morphing, - Auto vindecare, - Percepție, - Protecție împotriva trăsnetului și
- Stocare a energiei.
Ne vom concentra asupra primelor două domenii din acest articol.
Materiale de transformare și structuri de transformare
Materialele de transformare includ acele materiale care, în urma semnalelor de intrare, își modifică parametrii geometrici și care sunt capabili să-și restabilească forma originală atunci când semnalele externe se opresc.
Aceste materiale, datorită reacției lor sub forma unei schimbări de formă, sunt utilizate ca elemente de acționare, dar pot fi utilizate și în sens opus, adică ca senzori în care o influență externă aplicată materialului este transformată într-un semnal. Aplicațiile aerospațiale ale acestor materiale sunt variate: senzori, actuatoare, comutatoare în instalații și aparate electrice, avionică și conexiuni în sisteme hidraulice. Avantajele sunt: fiabilitate excepțională, durată de viață lungă, fără scurgeri, costuri reduse de instalare și o reducere semnificativă a întreținerii. În special, printre elementele de acționare realizate din materiale de transformare și aliajele cu memorie de formă, acționatoarele pentru controlul automat al sistemelor de răcire avionică și dispozitivele de acționare pentru închiderea / deschiderea amortizoarelor de ghidare în sistemele de aer condiționat din cabină sunt de un interes deosebit.
Materialele care își schimbă forma ca urmare a aplicării unui câmp electric includ materiale piezoelectrice (fenomenul de polarizare a materialelor cu o structură cristalină sub acțiunea solicitării mecanice (efect piezoelectric direct) și deformări mecanice sub acțiunea unui câmp electric (efect piezoelectric invers)) și materiale electrostrictive. Diferența constă în răspunsul la un câmp electric aplicat: un material piezoelectric se poate prelungi sau scurta, în timp ce un material electrostrictiv se prelungește doar, indiferent de direcția câmpului aplicat. În cazul senzorilor, tensiunea generată de solicitările mecanice este măsurată și procesată pentru a obține informații despre aceeași solicitare. Aceste materiale cu efect piezoelectric direct sunt utilizate pe scară largă în senzorii de accelerație și sarcină, senzori acustici. Alte materiale bazate pe efectul piezoelectric invers sunt utilizate la toate dispozitivele de acționare; sunt adesea folosite în sistemele optice pentru sateliții de recunoaștere, deoarece sunt capabili să regleze poziția lentilelor și a oglinzilor cu precizie nanometrică. Materialele menționate mai sus sunt, de asemenea, incluse în structurile de transformare pentru a modifica anumite caracteristici geometrice și pentru a conferi proprietăți suplimentare speciale acestor structuri. O structură morph (numită și structură inteligentă sau structură activă) este capabilă să sesizeze schimbări în condiții externe datorate funcționării senzorului / sistemului traductorului electromecanic încorporat în el. În acest fel (datorită prezenței unuia sau mai multor microprocesoare și electronice de putere), pot fi induse modificări adecvate în conformitate cu datele provenite de la senzori, permițând structurii să se adapteze la modificările externe. O astfel de monitorizare activă se aplică nu numai unui semnal de intrare extern (de exemplu, presiunea mecanică sau schimbarea formei), ci și modificărilor caracteristicilor interne (de exemplu, deteriorarea sau defectarea). Domeniul de aplicare este destul de larg și include sisteme spațiale, aeronave și elicoptere (controlul vibrațiilor, zgomotului, schimbării formei, distribuției stresului și stabilității aeroelastice), sistemelor marine (nave și submarine), precum și tehnologii de protecție.
Una dintre tendințele de reducere a vibrațiilor (vibrațiilor) care apare în sistemele structurale este foarte interesantă. Senzori speciali (constând din ceramică piezoelectrică multistrat) sunt amplasați în punctele cele mai stresate pentru a detecta vibrațiile. După analizarea semnalelor induse de vibrații, microprocesorul trimite un semnal (proporțional cu semnalul analizat) către actuator, care răspunde cu o mișcare adecvată capabilă să inhibe vibrațiile. Biroul de Tehnologie Aviațională Aplicată al Armatei SUA și NASA au testat sisteme active similare pentru a reduce vibrațiile unor elemente ale elicopterului CH-47, precum și ale avioanelor cozii ale luptătorului F-18. FDA a început deja integrarea materialelor active în paletele rotorului pentru a controla vibrațiile.
Într-un rotor principal convențional, lamele suferă de niveluri ridicate de vibrații cauzate de rotație și de toate fenomenele conexe. Din acest motiv și pentru a reduce vibrațiile și a facilita controlul sarcinilor care acționează asupra lamelor, au fost testate lame active cu o capacitate mare de îndoire. Într-un tip special de test (numit „circuit de răsucire încorporat”), atunci când unghiul de atac se schimbă, lama este răsucită pe toată lungimea sa datorită compozitului activ de fibre AFC (fibră electro-ceramică încorporată într-o matrice de polimer moale) integrată în structura lamei. Fibrele active sunt stivuite în straturi, un strat deasupra celuilalt, pe suprafețele superioare și inferioare ale lamei la un unghi de 45 de grade. Lucrarea fibrelor active creează o solicitare distribuită în lamă, ceea ce determină o îndoire corespunzătoare în întreaga lamă, care poate echilibra vibrația de leagăn. Un alt test („activarea leagănelor discrete”) se caracterizează prin utilizarea pe scară largă a mecanismelor piezoelectrice (actuatoare) pentru controlul vibrațiilor: dispozitivele de acționare sunt așezate în structura lamei pentru a controla funcționarea unor deflectoare situate de-a lungul marginii finale. Astfel, are loc o reacție aeroelastică care poate neutraliza vibrațiile generate de elice. Ambele soluții au fost evaluate pe un elicopter CH-47D real într-un test numit MiT Hower Test Sand.
Dezvoltarea elementelor structurale morphing deschide noi perspective în proiectarea structurilor de complexitate crescută, în timp ce greutatea și costul acestora sunt reduse semnificativ. O reducere marcată a nivelurilor de vibrații se traduce prin: durată de viață crescută a structurii, mai puține controale de integritate structurală, rentabilitate sporită a proiectelor finale, deoarece structurile sunt supuse unei vibrații mai mici, confort sporit, performanță îmbunătățită a zborului și control al zgomotului în elicoptere.
Potrivit NASA, este de așteptat ca în următorii 20 de ani, necesitatea unor sisteme de aeronave de înaltă performanță, care să devină mai ușoare și mai compacte, va necesita o utilizare mai extinsă a modelelor de transformare.
Materiale de auto-vindecare
Materialele de auto-vindecare aparținând clasei de materiale inteligente sunt capabile să repare în mod independent daunele cauzate de stresul mecanic sau influențele externe. La dezvoltarea acestor noi materiale, sistemele naturale și biologice (de exemplu, plantele, unele animale, pielea umană etc.) au fost folosite ca sursă de inspirație (de fapt, la început erau numite materiale biotehnologice). Astăzi, materialele auto-vindecătoare pot fi găsite în compozite avansate, polimeri, metale, ceramică, acoperiri anticorozive și vopsele. Se pune un accent deosebit pe aplicarea lor în aplicații spațiale (cercetări la scară largă sunt efectuate de NASA și Agenția Spațială Europeană), care se caracterizează prin vid, diferențe mari de temperatură, vibrații mecanice, radiații cosmice, precum și pentru a reduce daunele cauzate de coliziuni cu resturi spațiale și micrometeoriți. În plus, materialele de auto-vindecare sunt esențiale pentru industria aeriană și de apărare. Compozitele polimerice moderne utilizate în aplicații aerospațiale și militare sunt susceptibile la daune cauzate de focul mecanic, chimic, termic, inamic sau o combinație a acestor factori. Deoarece deteriorarea materialelor este dificil de observat și reparat, soluția ideală ar fi eliminarea daunelor care au avut loc la nivel nano și micro și restabilirea materialului la proprietățile și starea sa inițială. Tehnologia se bazează pe un sistem conform căruia materialul include microcapsule de două tipuri diferite, una conținând o componentă de auto-vindecare și cealaltă un anumit catalizator. Dacă materialul este deteriorat, microcapsulele sunt distruse și conținutul lor poate reacționa între ele, umplând daunele și restabilind integritatea materialului. Astfel, aceste materiale contribuie foarte mult la siguranța și durabilitatea compozitelor avansate din aeronavele moderne, eliminând în același timp necesitatea unei monitorizări active costisitoare sau a reparației și / sau înlocuirii externe. În ciuda caracteristicilor acestor materiale, este necesară îmbunătățirea capacității de întreținere a materialelor utilizate de industria aerospațială, iar pentru acest rol sunt propuse nanotuburi de carbon multistrat și sisteme epoxidice. Aceste materiale rezistente la coroziune cresc rezistența la tracțiune și proprietățile de amortizare ale compozitelor și nu modifică rezistența la șoc termic. De asemenea, este interesant să dezvolți un material compozit cu o matrice ceramică - o compoziție matricială care transformă fiecare moleculă de oxigen (pătrunsă în material ca urmare a deteriorării) într-o particulă de siliciu-oxigen cu o vâscozitate redusă, care poate curge în daune datorate la efectul capilar și umpleți-le. NASA și Boeing experimentează fisuri de auto-vindecare în structurile aerospațiale folosind o matrice de elastomer polidimetilsiloxan cu microcapsule încorporate.
Materialele de auto-vindecare sunt capabile să repare daunele prin închiderea spațiului din jurul obiectului perforat. Evident, astfel de capabilități sunt studiate la nivel de apărare, atât pentru blindarea vehiculelor și tancurilor, cât și pentru sistemele de protecție personală.
Materialele de auto-vindecare pentru aplicații militare necesită o evaluare atentă a variabilelor asociate cu daune ipotetice. În acest caz, daunele cauzate de impact depind de:
- energia cinetică datorată glonțului (masă și viteză), - proiectarea sistemului (geometrie externă, materiale, armură) și
- analiza geometriei coliziunii (unghiul de întâlnire).
Având în vedere acest lucru, DARPA și Laboratoarele Armatei SUA experimentează cu cele mai avansate materiale de auto-vindecare. În special, funcțiile de restaurare pot fi inițiate prin pătrunderea glonțului în cazul în care impactul balistic determină încălzirea localizată a materialului, făcând posibilă auto-vindecarea.
Sunt foarte interesante studiile și testele de sticlă auto-vindecătoare, în care fisurile cauzate de o acțiune mecanică sunt umplute cu lichid. Sticla autovindecabilă poate fi utilizată la fabricarea parbrizelor antiglonț ale vehiculelor militare, care ar permite soldaților să mențină o vizibilitate bună. Poate găsi aplicații și în alte domenii, aviație, afișaje de computer etc.
Una dintre provocările majore viitoare este prelungirea duratei de viață a materialelor avansate utilizate în elemente structurale și acoperiri. Următoarele materiale sunt cercetate:
- materiale autovindecabile pe bază de grafen (nanomaterial semiconductor bidimensional format dintr-un strat de atomi de carbon), - rășini epoxidice avansate, - materiale expuse la lumina soarelui;
- microcapsule anticorozive pentru suprafețe metalice;
- elastomeri capabili să reziste la impactul glonțului și
nanotuburi de carbon utilizate ca o componentă suplimentară pentru a spori performanța materialului.
Un număr semnificativ de materiale cu aceste caracteristici sunt în prezent testate și investigate experimental.
Ieșire
Timp de mulți ani, inginerii au propus deseori proiecte promițătoare din punct de vedere conceptual, dar nu au putut să le implementeze din cauza inaccesibilității materialelor adecvate pentru implementarea lor practică. Astăzi, scopul principal este de a crea structuri ușoare cu proprietăți mecanice remarcabile. Progresul modern în materie de materiale moderne (materiale inteligente și nanocompozite) joacă un rol cheie, în ciuda complexității, când caracteristicile sunt adesea foarte ambițioase și uneori chiar contradictorii. În prezent, totul se schimbă cu o viteză caleidoscopică, pentru un material nou, a cărui producție abia începe, există unul următor, pe care fac experimente și teste. Industria aerospațială și de apărare poate obține multe beneficii din aceste materiale uimitoare.
