"مواد غیر سنتی" یکی از مهمترین زمینه های توسعه فناوری در صنایع نظامی و هوافضا است. مصالح باید بیش از آنکه به عنوان یک ساختار پشتیبانی کننده عمل کنند - باید مصالح هوشمند باشند
مواد هوشمند دسته خاصی از مواد هستند که توانایی عمل به عنوان محرک و حسگر را دارند و تغییر شکل های مکانیکی لازم را در ارتباط با تغییرات دما ، جریان الکتریکی یا میدان مغناطیسی ارائه می دهند. از آنجا که مواد کامپوزیتی از بیش از یک ماده تشکیل شده اند و به دلیل پیشرفت تکنولوژیکی مدرن ، اکنون می توان سایر مواد (یا سازه ها) را در فرایند ارائه عملکرد یکپارچه در زمینه هایی مانند:
- شکل دهی ،
- خود درمانی ،
- ادراک ،
- حفاظت از صاعقه ، و
- ذخیره انرژی.
ما در این مقاله بر دو حوزه اول تمرکز می کنیم.
تغییر شکل و تغییر ساختارها
مواد مورفینگ شامل آن دسته از موادی هستند که به دنبال سیگنال های ورودی ، پارامترهای هندسی خود را تغییر می دهند و هنگامی که سیگنال های خارجی متوقف می شوند می توانند شکل اولیه خود را بازیابند.
این مواد ، به دلیل واکنش آنها در قالب تغییر شکل ، به عنوان محرک استفاده می شوند ، اما می توانند به صورت مخالف نیز استفاده شوند ، یعنی به عنوان حسگرهایی که در آنها تأثیر خارجی اعمال شده بر روی مواد به علامت. کاربردهای هوافضا این مواد متنوع است: سنسورها ، محرک ها ، کلیدهای تاسیسات و دستگاه های برقی ، اویونیک و اتصالات در سیستم های هیدرولیک. مزایای آن عبارتند از: قابلیت اطمینان استثنایی ، عمر طولانی ، بدون نشت ، هزینه نصب پایین و کاهش قابل توجه تعمیر و نگهداری. به طور خاص ، در میان محرک های ساخته شده از مواد تغییر شکل و آلیاژهای حافظه ، محرک های کنترل خودکار سیستم های خنک کننده اویونیک و محرک های بسته شدن / بازکردن دمپرهای راهنما در سیستم های تهویه مطبوع کابین خلبان از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند.
موادی که در اثر استفاده از میدان الکتریکی تغییر شکل می دهند شامل مواد پیزوالکتریک (پدیده قطبی شدن مواد با ساختار بلوری تحت تأثیر تنش های مکانیکی (اثر پیزوالکتریک مستقیم) و تغییر شکل های مکانیکی تحت تأثیر میدان الکتریکی (اثر پیزوالکتریک معکوس)) و مواد الکتریکی. تفاوت در پاسخ به یک میدان الکتریکی کاربردی است: یک ماده پیزوالکتریک می تواند طولانی یا کوتاه شود ، در حالی که یک ماده الکتریکی صرف نظر از جهت میدان اعمال شده ، طول می کشد. در مورد سنسورها ، ولتاژ ایجاد شده توسط تنش مکانیکی اندازه گیری و پردازش می شود تا اطلاعات مربوط به همان تنش بدست آید. این مواد با اثر پیزوالکتریک مستقیم به طور گسترده ای در سنسورهای شتاب و بار ، سنسورهای صوتی استفاده می شوند.مواد دیگر بر اساس اثر پیزوالکتریک معکوس در همه محرک ها استفاده می شود. آنها اغلب در سیستم های نوری برای ماهواره های شناسایی استفاده می شوند ، زیرا قادر به تنظیم موقعیت لنزها و آینه ها با دقت نانومتر هستند. مواد ذکر شده نیز در ساختارهای تغییر شکل گنجانده شده اند تا ویژگی های هندسی خاصی را تغییر داده و خواص اضافی خاصی را به این سازه ها منتقل کنند. یک ساختار مورف (که به آن ساختار هوشمند یا ساختار فعال نیز گفته می شود) به دلیل عملکرد سیستم مبدل حسگر / الکترومکانیکی تعبیه شده در آن ، قادر است تغییرات را در شرایط خارجی حس کند. به این ترتیب (به دلیل وجود یک یا چند ریزپردازنده و قطعات الکترونیکی قدرت) ، می توان تغییرات مناسب را مطابق با داده های دریافتی از حسگرها ایجاد کرد ، که به سازه اجازه می دهد با تغییرات خارجی سازگار شود. چنین نظارت فعال نه تنها برای یک سیگنال ورودی خارجی (به عنوان مثال فشار مکانیکی یا تغییر شکل) ، بلکه برای تغییرات در ویژگی های داخلی (به عنوان مثال آسیب یا خرابی) نیز قابل اجرا است. دامنه کاربرد بسیار وسیع است و شامل سیستم های فضایی ، هواپیما و هلیکوپتر (کنترل ارتعاش ، سر و صدا ، تغییر شکل ، توزیع تنش و پایداری هوازی) ، سیستم های دریایی (کشتی ها و زیردریایی ها) و همچنین فناوری های حفاظتی است.
یکی از گرایشهای کاهش ارتعاش (ارتعاشات) که در سیستمهای ساختاری رخ می دهد بسیار جالب است. حسگرهای ویژه (متشکل از سرامیک های پیزوالکتریک چندلایه) به منظور تشخیص ارتعاشات در استرس ترین نقاط قرار می گیرند. پس از تجزیه و تحلیل سیگنالهای ناشی از ارتعاش ، ریزپردازنده یک سیگنال (متناسب با سیگنال تجزیه شده) به محرک می فرستد ، که با حرکتی مناسب قادر به مهار ارتعاش پاسخ می دهد. دفتر فناوری هوایی کاربردی ارتش آمریکا و ناسا سیستم های فعال مشابهی را آزمایش کرده اند تا ارتعاشات برخی از عناصر بالگرد CH-47 و همچنین هواپیماهای دم جنگنده F-18 را کاهش دهند. FDA در حال حاضر ادغام مواد فعال را در پره های روتور برای کنترل ارتعاش آغاز کرده است.
در روتور اصلی معمولی ، تیغه ها از ارتعاش زیاد ناشی از چرخش و همه پدیده های مرتبط رنج می برند. به همین دلیل و به منظور کاهش ارتعاش و تسهیل کنترل بارهای وارد بر تیغه ، تیغه های فعال با ظرفیت خمش بالا مورد آزمایش قرار گرفت. در نوع خاصی از آزمایش (به نام "مدار پیچشی جاسازی شده") ، هنگامی که زاویه حمله تغییر می کند ، به لطف کامپوزیت الیاف فعال AFC (الیاف الکترو سرامیکی تعبیه شده در یک ماتریس نرم پلیمری) ، تیغه در تمام طول خود پیچ خورده است. به ساختار تیغه الیاف فعال در لایه هایی ، یک لایه بالاتر از لایه دیگر ، روی سطوح بالا و پایین تیغه با زاویه 45 درجه چیده شده اند. کار الیاف فعال باعث ایجاد تنش توزیع شده در تیغه می شود که باعث خم شدن مربوطه در طول تیغه می شود که می تواند ارتعاش تاب را متعادل کند. یک آزمایش دیگر ("فعال سازی نوسانات گسسته") با استفاده گسترده از مکانیزم های پیزوالکتریک (محرک ها) برای کنترل ارتعاش مشخص می شود: محرک ها در ساختار تیغه برای کنترل عملکرد برخی از انحراف کننده های واقع در لبه عقب قرار می گیرند. بنابراین ، یک واکنش هوایی الاستیک رخ می دهد که می تواند ارتعاش ایجاد شده توسط ملخ را خنثی کند. هر دو راه حل بر روی یک هلیکوپتر CH-47D واقعی در آزمایشی به نام MiT Hower Test Sand مورد ارزیابی قرار گرفت.
توسعه عناصر ساختاری متحول شده چشم اندازهای جدیدی را در طراحی سازه های با پیچیدگی بیشتر باز می کند ، در حالی که وزن و هزینه آنها به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. کاهش قابل توجه سطوح ارتعاش به این معنی است: افزایش عمر سازه ، بررسی کمتر سازگاری سازه ، افزایش سودآوری طرح های نهایی ، زیرا سازه ها در معرض ارتعاش کمتری قرار می گیرند ، افزایش راحتی ، بهبود عملکرد پرواز و کنترل سر و صدا در هلیکوپترها.
به گفته ناسا ، انتظار می رود که طی 20 سال آینده ، نیاز به سیستم های هواپیمای با کارایی بالا که سبک تر و جمع و جورتر می شوند ، نیاز به استفاده گسترده تر از طرح های تغییر شکل داشته باشد.
مواد خود درمانی
مواد خود ترمیم کننده متعلق به کلاس مواد هوشمند قادرند به طور مستقل آسیب های ناشی از فشار مکانیکی یا تأثیرات خارجی را ترمیم کنند. هنگام توسعه این مواد جدید ، سیستمهای طبیعی و بیولوژیکی (به عنوان مثال ، گیاهان ، برخی از حیوانات ، پوست انسان و غیره) به عنوان منبع الهام مورد استفاده قرار گرفت (در واقع ، در ابتدا آنها مواد بیوتکنولوژیکی نامیده می شدند). امروزه مواد خود ترمیم کننده را می توان در کامپوزیت های پیشرفته ، پلیمرها ، فلزات ، سرامیک ، پوشش های ضد خوردگی و رنگ ها یافت. تأکید ویژه ای بر کاربرد آنها در برنامه های فضایی (تحقیقات وسیع توسط ناسا و آژانس فضایی اروپا در حال انجام است) است که با خلاء ، اختلاف دما زیاد ، ارتعاشات مکانیکی ، تابش کیهانی و همچنین کاهش آسیب مشخص می شود. در اثر برخورد با زباله های فضایی و ریزشهورها ایجاد می شود. علاوه بر این ، مواد خود ترمیم کننده برای صنایع هواپیمایی و دفاعی ضروری است. کامپوزیت های پلیمری مدرن که در کاربردهای هوافضا و نظامی استفاده می شوند مستعد آسیب های ناشی از آتش مکانیکی ، شیمیایی ، حرارتی ، دشمن یا ترکیبی از این عوامل هستند. از آنجا که مشاهده و ترمیم آسیب داخل مواد دشوار است ، راه حل ایده آل از بین بردن آسیب هایی است که در سطح نانو و میکرو رخ داده و مواد را به خواص و وضعیت اولیه خود باز می گرداند. این فناوری مبتنی بر سیستمی است که بر اساس آن مواد شامل میکروکپسول هایی از دو نوع مختلف است که یکی شامل یک جزء خود ترمیم کننده و دیگری کاتالیزور خاصی است. اگر مواد آسیب ببینند ، میکروکپسول ها از بین می روند و محتویات آنها می توانند با یکدیگر واکنش نشان دهند ، آسیب را جبران کرده و یکپارچگی مواد را بازیابی کنند. بنابراین ، این مواد تا حد زیادی به ایمنی و دوام کامپوزیت های پیشرفته در هواپیماهای مدرن کمک می کنند ، در حالی که نیازی به نظارت فعال پرهزینه یا تعمیر و / یا جایگزینی خارجی ندارند. با وجود ویژگی های این مواد ، نیاز به بهبود قابلیت نگهداری مواد مورد استفاده در صنعت هوافضا وجود دارد و نانولوله های کربنی چند لایه و سیستم های اپوکسی برای این نقش پیشنهاد شده است. این مواد مقاوم در برابر خوردگی مقاومت کششی و میرایی کامپوزیت ها را افزایش می دهند و مقاومت شوک حرارتی را تغییر نمی دهند. همچنین ایجاد یک ماده کامپوزیت با یک ماتریس سرامیکی جالب است - یک ترکیب ماتریسی که هر مولکول اکسیژن (در اثر آسیب به ماده نفوذ کرده است) را به یک ذره سیلیکون - اکسیژن با ویسکوزیته پایین تبدیل می کند ، که می تواند به آسیب ناشی از آن برسد. به اثر مویرگی و پر کردن آنها. ناسا و بوئینگ با استفاده از ماتریس الاستومر پلی دی متیل سیلوکسان با ریزکپسول های تعبیه شده ، ترک های خود ترمیم کننده را در ساختارهای هوافضا آزمایش می کنند.
مواد خود ترمیم کننده قادرند با بستن شکاف اطراف جسم مشت شده ، آسیب را ترمیم کنند. بدیهی است که چنین قابلیت هایی در سطح دفاعی ، هم برای زره پوش ها و تانک ها و هم برای سیستم های حفاظت شخصی مورد مطالعه قرار می گیرد.
مواد خود ترمیمی برای کاربردهای نظامی نیاز به ارزیابی دقیق متغیرهای مرتبط با آسیب فرضی دارند.در این مورد ، آسیب ناشی از ضربه بستگی به موارد زیر دارد:
- انرژی جنبشی ناشی از گلوله (جرم و سرعت) ،
- طراحی سیستم (هندسه خارجی ، مواد ، زره) ، و
- تجزیه و تحلیل هندسه برخورد (زاویه ملاقات).
با در نظر گرفتن این موضوع ، دارپا و آزمایشگاه های ارتش آمریکا در حال آزمایش پیشرفته ترین مواد خوددرمانی هستند. به طور خاص ، عملکردهای ترمیمی را می توان با نفوذ گلوله آغاز کرد که در آن برخورد بالستیک باعث گرم شدن موضعی مواد می شود و خود ترمیم را ممکن می سازد.
مطالعات و آزمایشات شیشه های خود ترمیم کننده بسیار جالب است ، که در آن ترک های ناشی از برخی از اعمال مکانیکی با مایع پر می شوند. شیشه های خود ترمیم کننده را می توان در ساخت شیشه های ضد گلوله خودروهای نظامی استفاده کرد که به سربازان اجازه می دهد دید خوبی را حفظ کنند. همچنین می تواند در زمینه های دیگر ، هوانوردی ، نمایشگرهای رایانه و غیره کاربرد پیدا کند.
یکی از چالش های بزرگ آینده ، افزایش طول عمر مواد پیشرفته مورد استفاده در عناصر سازه ای و پوشش ها است. مواد زیر در حال بررسی است:
-مواد خود ترمیم بر اساس گرافن (نانومواد نیمه هادی دو بعدی متشکل از یک لایه اتم کربن) ،
- رزین های اپوکسی پیشرفته ،
- مواد در معرض نور خورشید ،
- میکروکپسول های ضد خوردگی برای سطوح فلزی ،
- الاستومرهایی که می توانند ضربه گلوله را تحمل کنند ، و
نانولوله های کربنی به عنوان یک جزء اضافی برای افزایش عملکرد مواد استفاده می شود.
تعداد قابل توجهی از مواد با این ویژگی ها در حال آزمایش و بررسی تجربی هستند.
خروجی
سالهاست که مهندسان اغلب پروژه های امیدوار کننده از نظر مفهومی را پیشنهاد می کردند ، اما به دلیل عدم دسترسی به مواد مناسب برای اجرای عملی آنها ، نتوانستند آنها را اجرا کنند. امروزه هدف اصلی ایجاد سازه های سبک با خواص مکانیکی برجسته است. پیشرفت مدرن در مواد مدرن (مواد هوشمند و نانوکامپوزیت) ، علیرغم همه پیچیدگی ها ، هنگامی که ویژگی ها اغلب بسیار بلند پروازانه و گاهی حتی متناقض هستند ، نقش کلیدی را ایفا می کند. در حال حاضر ، همه چیز با سرعت کلیدوسکوپی در حال تغییر است ، برای یک ماده جدید ، که تولید آن تازه آغاز شده است ، مورد بعدی وجود دارد ، که آنها آزمایش و آزمایش می کنند. صنایع هوافضا و صنایع دفاعی می توانند از مزایای بسیاری از این مواد شگفت انگیز بهره مند شوند.
