"Nie-tradisionele materiale" is een van die belangrikste gebiede van tegnologiese ontwikkeling in die militêre en lugvaartbedryf. Materiaal moet meer as net 'n ondersteunende struktuur dien - dit moet slim materiale wees
Slim materiale is 'n spesiale klas materiale wat die vermoë het om as 'n aandrywer en as sensor te funksioneer, wat die nodige meganiese vervormings bied wat verband hou met veranderinge in temperatuur, elektriese stroom of magnetiese veld. Aangesien saamgestelde materiale uit meer as een materiaal bestaan en as gevolg van moderne tegnologiese vooruitgang, is dit nou moontlik om ander materiale (of strukture) in te sluit om geïntegreerde funksies te bied op gebiede soos:
- Morphing, - Selfgenesing, - Persepsie, - Weerligbeskerming, en
- Energie stoor.
Ons fokus op die eerste twee gebiede in hierdie artikel.
Morfering van materiale en morferingstrukture
Morphing -materiale bevat die materiaal wat, na aanleiding van die insetseine, hul meetkundige parameters verander en wat hul oorspronklike vorm kan herstel wanneer eksterne seine stop.
Hierdie materiale, as gevolg van hul reaksie in die vorm van 'n vormverandering, word as aktore gebruik, maar hulle kan ook op die teenoorgestelde manier gebruik word, dit wil sê as sensors waarin 'n eksterne invloed wat op die materiaal toegepas word, omskep word in 'n sein. Die lugvaarttoepassings van hierdie materiale is uiteenlopend: sensors, aandrywers, skakelaars in elektriese installasies en toestelle, lugvaart en verbindings in hidrouliese stelsels. Die voordele is: buitengewone betroubaarheid, lang lewensduur, geen lekkasies, lae installeringskoste en 'n aansienlike vermindering van onderhoud. Veral onder aktuators wat gemaak is van veranderende materiale en vormgeheue -legerings, is veral aandrywers vir die outomatiese bestuur van lugverkoelingstelsels en aandrywers vir die sluit / oopmaak van dempers in die lugversorgingstelsels van die kajuit.
Materiale wat vorm verander as gevolg van die aanwending van 'n elektriese veld, sluit in piëzo -elektriese materiale (die verskynsel van polarisasie van materiale met 'n kristallyne struktuur onder die werking van meganiese spanning (direkte piëzo -elektriese effek) en meganiese vervormings onder die werking van 'n elektriese veld (omgekeerde piëzo -elektriese effek)) en elektrostriktiewe materiale. Die verskil lê in die reaksie op 'n toegepaste elektriese veld: 'n piëzo -elektriese materiaal kan verleng of verkort, terwyl 'n elektrostriktiewe materiaal net langer word, ongeag die rigting van die toegepaste veld. In die geval van sensors word die spanning wat deur meganiese spanning opgewek word, gemeet en verwerk om inligting oor dieselfde spanning te verkry. Hierdie materiale met 'n direkte piëzo -elektriese effek word wyd gebruik in versnellings- en lassensors, akoestiese sensors. Ander materiale gebaseer op die omgekeerde piëzo -elektriese effek word in alle aandrywers gebruik; dit word dikwels gebruik in optiese stelsels vir verkenningssatelliete, aangesien dit die posisie van lense en spieëls met nanometerpresisie kan aanpas. Bogenoemde materiale word ook ingesluit in strukture om te verander om sekere meetkundige eienskappe te verander en spesiale bykomende eienskappe aan hierdie strukture te verleen. 'N Morfstruktuur (ook 'n slim struktuur of aktiewe struktuur genoem) is in staat om veranderinge in eksterne toestande te waarneem as gevolg van die werking van die sensor / elektromeganiese transducerstelsel wat daarin ingebou is. Op hierdie manier (as gevolg van die teenwoordigheid van een of meer mikroverwerkers en kragelektronika), kan gepaste veranderinge geïnduseer word in ooreenstemming met die data van die sensors, sodat die struktuur kan aanpas by eksterne veranderinge. Sodanige aktiewe monitering is nie net van toepassing op 'n eksterne insetsein (bv. Meganiese druk of vormverandering) nie, maar ook op veranderinge in interne eienskappe (bv. Skade of mislukking). Die omvang van die toepassing is redelik breed en bevat ruimtesisteme, vliegtuie en helikopters (beheer van trillings, geraas, vormverandering, stresverspreiding en aërolastiese stabiliteit), mariene stelsels (skepe en duikbote), sowel as beskermingstegnologie.
Een van die neigings om vibrasie (vibrasies) wat in strukturele stelsels voorkom, te verminder, is baie interessant. Spesiale sensors (bestaande uit meerlagige piëzo -elektriese keramiek) word op die mees beklemtoonde plekke geplaas om vibrasies op te spoor. Nadat die vibrasie-geïnduseerde seine ontleed is, stuur die mikroverwerker 'n sein (eweredig aan die geanaliseerde sein) na die aktuator, wat reageer met 'n gepaste beweging wat vibrasie kan belemmer. Die Amerikaanse weermag se kantoor vir toegepaste lugvaarttegnologie en NASA het soortgelyke aktiewe stelsels getoets om vibrasies van sommige elemente van die CH-47-helikopter, sowel as die stertvliegtuie van die F-18-vegvliegtuig, te verminder. Die FDA het reeds begin om aktiewe materiale in rotorblaaie te integreer om vibrasie te beheer.
In 'n konvensionele hoofrotor ly die lemme aan hoë vibrasievlakke wat veroorsaak word deur rotasie en alle verwante verskynsels. Om hierdie rede, en om vibrasie te verminder en die beheer van die vragte op die lemme te vergemaklik, is aktiewe lemme met 'n hoë buigvermoë getoets. In 'n spesiale tipe toets (genaamd "ingebedde draai-kring"), wanneer die invalshoek verander, word die lem oor sy hele lengte gedraai danksy die aktiewe vesel saamgestelde AFC (elektro-keramiek vesel ingebed in 'n sagte polimeer matriks) geïntegreer in die lemstruktuur. Die aktiewe vesels word in lae gestapel, een laag bo die ander, op die boonste en onderste oppervlaktes van die lem teen 'n hoek van 45 grade. Die werk van die aktiewe vesels veroorsaak 'n verspreide spanning in die lem, wat 'n ooreenstemmende buiging deur die lem veroorsaak, wat die swaaivibrasie kan balanseer. 'N Ander toets ("aktivering van diskrete swaaie") word gekenmerk deur die wydverspreide gebruik van piëzo -elektriese meganismes (aktuators) vir vibrasiebeheer: aktuators word in die lemstruktuur geplaas om die werking van sommige deflektors langs die agterrand te beheer. Daar vind dus 'n aërolastiese reaksie plaas wat die vibrasie wat deur die propeller opgewek word, kan neutraliseer. Beide oplossings is op 'n regte CH-47D-helikopter geëvalueer in 'n toets genaamd die MiT Hower Test Sand.
Die ontwikkeling van morferende struktuurelemente maak nuwe perspektiewe oop vir die ontwerp van strukture met 'n groter kompleksiteit, terwyl die gewig en koste aansienlik verminder word. 'N Duidelike vermindering in vibrasievlakke beteken: verhoogde struktuurlewe, minder strukturele integriteitstoetse, verhoogde winsgewendheid van finale ontwerpe, aangesien strukture minder trillings ondergaan, verhoogde gemak, verbeterde vlugprestasie en geraasbeheer in helikopters.
Volgens NASA word verwag dat die behoefte aan hoëprestasievliegtuigstelsels wat ligter en meer kompak sal word, in die komende 20 jaar meer uitgebrei moet word om morphing -ontwerpe te gebruik.
Selfgenesende materiaal
Selfgenesende materiale wat tot die klas slim materiale behoort, kan skade wat deur meganiese spanning of eksterne invloede veroorsaak word, onafhanklik herstel. By die ontwikkeling van hierdie nuwe materiale is natuurlike en biologiese stelsels (byvoorbeeld plante, sommige diere, menslike vel, ens.) As bron van inspirasie gebruik (eintlik is dit aanvanklik biotegnologiese materiale genoem). Vandag kan selfherstellende materiale gevind word in gevorderde komposiete, polimere, metale, keramiek, anti-roes coatings en verf. Daar word veral klem gelê op die toepassing daarvan in ruimtetoepassings (grootskaalse navorsing word uitgevoer deur NASA en die Europese Ruimte-agentskap), wat gekenmerk word deur vakuum, groot temperatuurverskille, meganiese trillings, kosmiese straling, asook om skade te verminder veroorsaak deur botsings met ruimterommel en mikrometeoriete. Boonop is selfgenesende materiale noodsaaklik vir die lugvaart- en verdedigingsbedryf. Moderne polimeer -komposiete wat in lugvaart- en militêre toepassings gebruik word, is vatbaar vir skade wat veroorsaak word deur meganiese, chemiese, termiese, vyandelike vuur of 'n kombinasie van hierdie faktore. Aangesien dit moeilik is om skade aan die binnekant van die materiaal op te spoor en te herstel, is die ideale oplossing om die skade wat op nano- en mikrovlak plaasgevind het, uit te skakel en die oorspronklike eienskappe en toestand van die materiaal te herstel. Die tegnologie is gebaseer op 'n stelsel waarvolgens die materiaal mikrokapsules van twee verskillende tipes bevat, waarvan een 'n selfgenesende komponent bevat en die ander 'n sekere katalisator. As die materiaal beskadig word, word die mikrokapsules vernietig en kan die inhoud daarvan met mekaar reageer, die skade vul en die integriteit van die materiaal herstel. Hierdie materiale dra dus grootliks by tot die veiligheid en duursaamheid van gevorderde komposiete in moderne vliegtuie, terwyl dit die behoefte aan duur aktiewe monitering of eksterne herstel en / of vervanging uitskakel. Ten spyte van die kenmerke van hierdie materiale, is dit nodig om die instandhouding van die materiaal wat deur die lugvaartbedryf gebruik word, te verbeter, en meerlaagse koolstof -nanobuise en epoksiestelsels word voorgestel vir hierdie rol. Hierdie korrosiebestande materiale verhoog die treksterkte en dempingseienskappe van die komposiete en verander nie die termiese skokweerstand nie. Dit is ook interessant om 'n saamgestelde materiaal met 'n keramiekmatriks te ontwikkel - 'n matrikssamestelling wat elke suurstofmolekule omskep (as gevolg van skade in die materiaal ingedring) in 'n silikon -suurstofdeeltjie met 'n lae viskositeit, wat tot skade kan lei as gevolg van tot die kapillêre effek en vul dit. NASA en Boeing eksperimenteer met selfgenesende krake in lugvaartstrukture met behulp van 'n polydimetielsiloksaan elastomeermatriks met ingebedde mikrokapsules.
Selfgenesende materiale kan skade herstel deur die gaping rondom die voorwerp wat geslaan is, toe te maak. Uiteraard word sulke vermoëns op verdedigingsvlak bestudeer, sowel vir die bepantsering van voertuie en tenks, as vir persoonlike beskermingstelsels.
Selfgenesende materiaal vir militêre toepassings vereis noukeurige evaluering van die veranderlikes wat verband hou met hipotetiese skade. In hierdie geval hang die impakskade af van:
- kinetiese energie as gevolg van die koeël (massa en snelheid), - stelselontwerpe (eksterne meetkunde, materiaal, pantser) en
- botsingsgeometrie -analise (ontmoetingshoek).
Met dit in gedagte, eksperimenteer DARPA en die Amerikaanse weermaglaboratoriums met die mees gevorderde selfgenesende materiaal. In die besonder kan herstellende funksies geïnisieer word deur koeëlpenetrasie, waar die ballistiese impak gelokaliseerde verhitting van die materiaal veroorsaak, wat selfgenesing moontlik maak.
Studies en toetse van selfgenesende glas is baie interessant, waarin krake wat veroorsaak word deur 'n meganiese werking, met vloeistof gevul word. Selfgenesende glas kan gebruik word vir die vervaardiging van koeëlvaste voorruite van militêre voertuie, waardeur soldate goeie sigbaarheid kan behou. Dit kan ook toepassing vind in ander velde, lugvaart, rekenaarskerms, ens.
Een van die belangrikste uitdagings in die toekoms is om die lewensduur van gevorderde materiale wat in strukturele elemente en bedekkings gebruik word, te verleng. Die volgende materiaal word ondersoek:
-selfgenesende materiale gebaseer op grafeen (tweedimensionele halfgeleier-nanomateriaal wat bestaan uit een laag koolstofatome), - gevorderde epoksiehars, - materiale wat blootgestel word aan sonlig, - mikro-kapsules teen korrosie vir metaaloppervlaktes, - elastomere wat bestand is teen koeëls, en
koolstof nanobuisies wat as 'n bykomende komponent gebruik word om die materiaal se prestasie te verbeter.
'N Aansienlike aantal materiale met hierdie eienskappe word tans eksperimenteel getoets en ondersoek.
Uitset
Ingenieurs het jare lank dikwels konseptueel belowende projekte voorgestel, maar kon dit nie implementeer nie, aangesien dit nie toeganklik was vir die toepaslike materiaal vir die praktiese implementering daarvan nie. Vandag is die hoofdoel om liggewigstrukture met uitstekende meganiese eienskappe te skep. Moderne vooruitgang in moderne materiale (slim materiale en nanokomposiete) speel, ondanks al die kompleksiteit, 'n sleutelrol, terwyl die eienskappe dikwels baie ambisieus en soms selfs teenstrydig is. Tans verander alles met 'n kaleidoskopiese snelheid, vir 'n nuwe materiaal, waarvan die produksie eers begin, is daar 'n volgende, waarop hulle eksperimente uitvoer en toets. Die lugvaart- en verdedigingsbedryf kan baie voordele put uit hierdie wonderlike materiale.
