A "nem hagyományos anyagok" a katonai és a repülőgépipar technológiafejlesztésének egyik legfontosabb területe. Az anyagoknak többre van szükségük, mint csak tartószerkezetként - intelligens anyagoknak kell lenniük
Az intelligens anyagok az anyagok speciális osztálya, amelyek működtető és szenzorként működnek, biztosítva a hőmérséklet, az elektromos áram vagy a mágneses tér változásával járó szükséges mechanikai deformációkat. Mivel a kompozit anyagok egynél több anyagból állnak, és a modern technológiai fejlődésnek köszönhetően, most már lehetséges más anyagok (vagy szerkezetek) bevonása az integrált funkcionalitás biztosításának folyamatába, például:
- Morfondírozás, - Öngyógyító, - Észlelés, - Villámvédelem, és
- Energia tároló.
Ebben a cikkben az első két területre fogunk összpontosítani.
Anyagok és szerkezetek átalakítása
A morfoló anyagok közé azok az anyagok tartoznak, amelyek a bemeneti jeleket követően megváltoztatják geometriai paramétereiket, és amelyek képesek visszaállítani eredeti alakjukat, amikor a külső jelek leállnak.
Ezeket az anyagokat az alakváltozás formájában fellépő reakciójuk miatt hajtóművekként használják, de ellenkezőleg is, azaz érzékelőkként, amelyekben az anyagra kifejtett külső hatást alakítják át jel. Ezeknek az anyagoknak a repülőgépészeti alkalmazása sokféle lehet: érzékelők, működtetőelemek, kapcsolók az elektromos berendezésekben és készülékekben, az avionika és a hidraulikus rendszerek csatlakozásai. Előnyei: kivételes megbízhatóság, hosszú élettartam, szivárgásmentesség, alacsony telepítési költségek és a karbantartás jelentős csökkenése. Különösen a morfológiás anyagokból és alakformáló ötvözetekből álló hajtóművek közül különösen érdekesek az avionikai hűtőrendszerek automatikus vezérlésére szolgáló hajtóművek, valamint a vezetőfülke légkondicionáló rendszereinek vezérlőcsappantyúinak zárására / nyitására szolgáló működtető szerkezetek.
Az elektromos tér alkalmazása következtében alakot megváltoztató anyagok közé tartoznak a piezoelektromos anyagok (a kristályos szerkezetű anyagok polarizációjának jelensége mechanikai feszültségek hatására (közvetlen piezoelektromos hatás) és az elektromos mező hatására fellépő mechanikai deformációk (fordított piezoelektromos hatás)) és elektrosztatikus anyagok. A különbség az alkalmazott elektromos mezőre adott válaszban rejlik: egy piezoelektromos anyag meghosszabbíthatja vagy lerövidítheti, míg az elektrosztatikus anyag csak meghosszabbodik, függetlenül az alkalmazott mező irányától. Az érzékelők esetében a mechanikai igénybevétel által generált feszültséget mérik és dolgozzák fel, hogy információkat szerezzenek ugyanazon feszültségről. Ezeket a közvetlen piezoelektromos hatású anyagokat széles körben használják a gyorsulás- és terhelésérzékelőkben, akusztikus érzékelőkben. A fordított piezoelektromos hatáson alapuló egyéb anyagokat minden hajtóműben használnak; gyakran használják felderítő műholdak optikai rendszereiben, mivel képesek a lencsék és tükrök helyzetének nanométeres pontossággal történő beállítására. A fent említett anyagokat is bevonják a morfoló szerkezetekbe annak érdekében, hogy bizonyos geometriai jellemzőket megváltoztassanak, és különleges kiegészítő tulajdonságokkal ruházzák fel ezeket a szerkezeteket. A morf szerkezet (más néven intelligens szerkezet vagy aktív szerkezet) képes érzékelni a külső körülmények változásait a beépített érzékelő / elektromechanikus jelátalakító rendszer működése miatt. Ily módon (egy vagy több mikroprocesszor és teljesítményelektronika jelenléte miatt) megfelelő változások indukálhatók az érzékelőktől származó adatoknak megfelelően, lehetővé téve a szerkezet alkalmazkodását a külső változásokhoz. Az ilyen aktív figyelés nemcsak külső bemeneti jelre (pl. Mechanikai nyomás vagy alakváltozás), hanem a belső jellemzők változására (pl. Sérülés vagy meghibásodás) is alkalmazható. Az alkalmazási kör meglehetősen széles, és magában foglalja az űrrendszereket, repülőgépeket és helikoptereket (a rezgés, a zaj, az alakváltozás, a feszültségeloszlás és a légrugó stabilitás szabályozása), a tengeri rendszereket (hajók és tengeralattjárók), valamint a védelmi technológiákat.
A strukturális rendszerekben előforduló rezgések (rezgések) csökkentésére irányuló egyik tendencia nagyon érdekes. Különleges (többrétegű piezoelektromos kerámiából álló) érzékelőket helyeznek el a legfeszültebb pontokon a rezgések érzékelése érdekében. A rezgés okozta jelek elemzése után a mikroprocesszor egy jelet küld (az elemzett jelrel arányos) a hajtóműnek, amely a vibrációt gátolni képes megfelelő mozdulattal válaszol. Az amerikai hadsereg Alkalmazott Repülési Technológiai Hivatala és a NASA hasonló aktív rendszereket tesztelt annak érdekében, hogy csökkentse a CH-47 helikopter egyes elemeinek rezgését, valamint az F-18-as vadászgép hátsó repülőgépeit. Az FDA már megkezdte az aktív anyagok integrálását a rotorlapátokba a rezgés szabályozása érdekében.
A hagyományos fő rotor esetében a lapátok nagyfokú rezgéstől szenvednek, amelyet a forgás és minden kapcsolódó jelenség okoz. Ezért és a vibráció csökkentése és a pengékre ható terhelések szabályozásának megkönnyítése érdekében nagy hajlító képességű aktív pengéket teszteltek. Egy speciális típusú vizsgálatban ("beágyazott csavaró áramkör"), amikor a támadási szög változik, a penge teljes hosszában meg van csavarva az aktív szálkompozit AFC (lágy polimer mátrixba ágyazott elektro-kerámia szál) köszönhetően a penge szerkezetébe. Az aktív szálakat rétegekben halmozzák fel, egyik réteg a másik felett, a penge felső és alsó felületén, 45 fokos szögben. Az aktív szálak munkája elosztott feszültséget hoz létre a pengeben, ami ennek megfelelő hajlítást okoz a penge egészében, ami kiegyensúlyozza a lengő rezgést. Egy másik teszt („diszkrét lengések aktiválása”) a piezoelektromos mechanizmusok (működtető szerkezetek) széles körű alkalmazását jellemzi a rezgésszabályozásban: a működtetőelemeket a pengeszerkezetben helyezik el, hogy ellenőrizzék a terelőél mentén elhelyezkedő egyes terelőelemek működését. Így olyan aeroelasztikus reakció lép fel, amely semlegesítheti a légcsavar által keltett rezgést. Mindkét oldatot valódi CH-47D helikopterrel értékeltük a MiT Hower Test Sand nevű tesztben.
Az átalakuló szerkezeti elemek kifejlesztése új távlatokat nyit a megnövekedett bonyolultságú szerkezetek tervezésében, miközben súlyuk és költségük jelentősen csökken. A rezgésszintek jelentős csökkenése a következőket eredményezi: a szerkezet hosszabb élettartama, kevesebb szerkezeti integritás -ellenőrzés, a végső tervek jövedelmezősége, mivel a szerkezetek kevesebb rezgésnek vannak kitéve, nagyobb kényelem, jobb repülési teljesítmény és zajcsökkentés a helikopterekben.
A NASA szerint várhatóan a következő 20 évben a könnyebbé és kompaktabbá váló nagyteljesítményű repülőgéprendszerek iránti igény a morfológiai tervek szélesebb körű használatát teszi szükségessé.
Öngyógyító anyagok
Az intelligens anyagok osztályába tartozó öngyógyító anyagok önállóan képesek kijavítani a mechanikai igénybevétel vagy a külső hatások okozta károkat. Ezen új anyagok kifejlesztésekor természetes és biológiai rendszereket (például növényeket, egyes állatokat, emberi bőrt stb.) Használtak inspirációs forrásként (valójában kezdetben biotechnológiai anyagoknak nevezték őket). Ma öngyógyító anyagok találhatók a fejlett kompozitokban, polimerekben, fémekben, kerámiákban, korróziógátló bevonatokban és festékekben. Különös hangsúlyt fektetnek ezek alkalmazására az űrbeli alkalmazásokban (nagyszabású kutatásokat végez a NASA és az Európai Űrügynökség), amelyeket vákuum, nagy hőmérséklet-különbségek, mechanikai rezgések, kozmikus sugárzás jellemez, valamint a károk csökkentése űrtörmelékkel és mikrometeoritokkal való ütközés okozta. Ezenkívül az öngyógyító anyagok elengedhetetlenek a repülés és a védelmi ipar számára. Az űrhajózásban és katonai alkalmazásokban használt modern polimer kompozitok érzékenyek a mechanikai, kémiai, termikus, ellenséges tűz vagy e tényezők kombinációja által okozott károkra. Mivel az anyagon belüli sérüléseket nehéz észrevenni és javítani, az ideális megoldás az lenne, ha megszüntetnénk a nano- és mikroszinten bekövetkezett károkat, és visszaállítanánk az anyag eredeti tulajdonságait és állapotát. A technológia egy olyan rendszeren alapul, amely szerint az anyag két különböző típusú mikrokapszulát tartalmaz, az egyik öngyógyító komponenst, a másik pedig egy bizonyos katalizátort tartalmaz. Ha az anyag megsérül, a mikrokapszulák megsemmisülnek, és tartalmuk egymással reagálhat, kitöltheti a sérülést és helyreállíthatja az anyag integritását. Így ezek az anyagok nagymértékben hozzájárulnak a modern repülőgépek fejlett kompozitjainak biztonságához és tartósságához, ugyanakkor nincs szükség költséges aktív felügyeletre vagy külső javításra és / vagy cserére. Ezen anyagok jellemzői ellenére javítani kell a repülőgépipar által használt anyagok karbantarthatóságát, és többrétegű szén nanocsöveket és epoxi rendszereket javasolnak erre a szerepre. Ezek a korrózióálló anyagok növelik a kompozitok szakítószilárdságát és csillapítási tulajdonságait, és nem változtatják meg a hősokk-ellenállást. Érdekes egy kerámia mátrixú kompozit anyag kifejlesztése is - egy mátrix kompozíció, amely minden egyes oxigénmolekulát (a sérülés következtében behatolt az anyagba) alacsony viszkozitású szilícium -oxigén részecskévé alakít át, amely sérülések miatt folyhat a kapilláris hatáshoz, és töltse fel őket. A NASA és a Boeing öngyógyuló repedésekkel kísérletezik az űrkutatási struktúrákban egy polidimetil-sziloxán elasztomer mátrix segítségével, beágyazott mikrokapszulákkal.
Az öngyógyító anyagok képesek a sérülések helyreállítására azáltal, hogy bezárják a lyukasztott tárgy körüli rést. Nyilvánvaló, hogy ezeket a képességeket védelmi szinten vizsgálják, mind a páncélozott járművek és tankok, mind a személyi védelmi rendszerek esetében.
A katonai alkalmazások öngyógyító anyagai megkövetelik a hipotetikus károkkal kapcsolatos változók gondos értékelését. Ebben az esetben az ütközési kár a következőktől függ:
- mozgási energia a golyó hatására (tömeg és sebesség), - rendszertervek (külső geometria, anyagok, páncélzat), és
- ütközésgeometriai elemzés (találkozási szög).
Ezt szem előtt tartva a DARPA és az US Army Laboratories a legfejlettebb öngyógyító anyagokkal kísérletezik. A helyreállító funkciókat különösen a golyó behatolásával lehet elindítani, ahol a ballisztikus ütközés az anyag lokális felmelegedését okozza, lehetővé téve az öngyógyulást.
Nagyon érdekesek az öngyógyító üveg vizsgálatai és tesztjei, amelyekben valamilyen mechanikai hatás okozta repedéseket folyadékkal töltik fel. Az öngyógyító üveg felhasználható katonai járművek golyóálló szélvédőinek gyártásához, amelyek lehetővé teszik a katonák számára a jó láthatóság fenntartását. Alkalmazást találhat más területeken is, repülés, számítógépes kijelzők stb.
A jövő egyik legnagyobb kihívása a szerkezeti elemekben és bevonatokban használt fejlett anyagok élettartamának meghosszabbítása. A következő anyagokat vizsgálják:
-öngyógyító anyagok grafén (kétdimenziós félvezető nanoanyag, amely egy réteg szénatomból áll) alapján, - fejlett epoxigyanta, - napfénynek kitett anyagok, - korróziógátló mikrokapszulák fémfelületekhez, - elasztomerek, amelyek képesek ellenállni a golyó ütésének, és
szén -nanocsövek, amelyeket kiegészítő komponensként használnak az anyag teljesítményének javítására.
Jelenleg számos ilyen tulajdonságú anyagot tesztelnek és kísérleteznek.
Kimenet
A mérnökök hosszú éveken keresztül gyakran javasoltak koncepcionálisan ígéretes projekteket, de nem tudták megvalósítani azokat, mivel a gyakorlati megvalósításhoz nem voltak megfelelő anyagok. Ma a fő cél könnyűszerkezetek létrehozása, kiemelkedő mechanikai tulajdonságokkal. A modern anyagok (intelligens anyagok és nanokompozitok) modern fejlődése kulcsfontosságú szerepet játszik minden bonyolultság ellenére, amikor a jellemzők gyakran nagyon ambiciózusak és néha ellentmondásosak. Jelenleg minden kaleidoszkópikus sebességgel változik, egy új anyag esetében, amelynek gyártása még csak most kezdődik, van egy következő, amelyen kísérleteket és teszteket végeznek. A repülőgépipar és a védelmi ipar számos előnyt élvezhet ezekből a csodálatos anyagokból.
