"Materialet jo tradicionale" është një nga fushat më të rëndësishme të zhvillimit të teknologjisë në industritë ushtarake dhe hapësinore. Materialet duhet të bëjnë më shumë sesa thjesht të shërbejnë si një strukturë mbështetëse - ato duhet të jenë materiale të zgjuara
Materialet inteligjente janë një klasë e veçantë e materialeve që kanë aftësinë të veprojnë si një nxitës dhe si një sensor, duke siguruar deformimet e nevojshme mekanike të shoqëruara me ndryshimet në temperaturën, rrymën elektrike ose fushën magnetike. Meqenëse materialet e përbëra përbëhen nga më shumë se një material dhe për shkak të përparimit teknologjik modern, tani është e mundur të përfshihen materiale (ose struktura) të tjera në procesin e sigurimit të funksionalitetit të integruar në fusha të tilla si:
- Morfimi, - Vetë-shërimi, - Perceptimi, - mbrojtje nga rrufeja, dhe
- Magazinimi i energjisë.
Ne do të përqendrohemi në dy fushat e para në këtë artikull.
Materialet morfuese dhe strukturat morfuese
Materialet morfuese përfshijnë ato materiale që, pas sinjaleve hyrëse, ndryshojnë parametrat e tyre gjeometrikë dhe të cilët janë në gjendje të rivendosin formën e tyre origjinale kur sinjalet e jashtme të ndalen.
Këto materiale, për shkak të reagimit të tyre në formën e një ndryshimi në formë, përdoren si aktivizues, por ato gjithashtu mund të përdoren në mënyrë të kundërt, domethënë si sensorë në të cilët një ndikim i jashtëm i aplikuar në material transformohet në një sinjal. Aplikimet hapësinore të këtyre materialeve janë të ndryshme: sensorë, aktivizues, ndërprerës në instalimet dhe aparatet elektrike, avionikë dhe lidhje në sistemet hidraulike. Përfitimet janë: besueshmëri e jashtëzakonshme, jetë e gjatë shërbimi, pa rrjedhje, kosto të ulëta instalimi dhe një reduktim të ndjeshëm të mirëmbajtjes. Në veçanti, në mesin e aktivizuesve të bërë nga materiale të morfizuara dhe lidhjeve të kujtesës në formë, aktivizuesit për kontrollin automatik të sistemeve të ftohjes avionike dhe aktivizuesit për mbylljen / hapjen e prishësve udhëzues në sistemet e ajrit të kondicionuar të kabinës janë me interes të veçantë.
Materialet që ndryshojnë formën si rezultat i aplikimit të një fushe elektrike përfshijnë materiale piezoelektrike (fenomeni i polarizimit të materialeve me një strukturë kristalore nën veprimin e streseve mekanike (efekti direkt piezoelektrik) dhe deformimet mekanike nën veprimin e një fushe elektrike (efekt i kundërt piezoelektrik)) dhe materiale elektrostriktive. Dallimi qëndron në përgjigjen ndaj një fushe elektrike të aplikuar: një material piezoelektrik mund të zgjatet ose shkurtohet, ndërsa një material elektrostriktiv vetëm zgjatet, pavarësisht nga drejtimi i fushës së aplikuar. Në rastin e sensorëve, tensioni i krijuar nga stresi mekanik matet dhe përpunohet në mënyrë që të merret informacion në lidhje me të njëjtin stres. Këto materiale me efekt të drejtpërdrejtë piezoelektrik përdoren gjerësisht në sensorët e nxitimit dhe ngarkesës, sensorë akustikë. Materialet e tjera të bazuara në efektin e kundërt piezoelektrik përdoren në të gjithë aktivizuesit; ato shpesh përdoren në sistemet optike për satelitët e zbulimit, pasi ato janë të afta të rregullojnë pozicionin e lenteve dhe pasqyrave me saktësi nanometër. Materialet e lartpërmendura përfshihen gjithashtu në strukturat morfuese në mënyrë që të ndryshojnë karakteristika të caktuara gjeometrike dhe t'u japin veti të veçanta shtesë këtyre strukturave. Një strukturë morf (e quajtur edhe një strukturë e zgjuar ose strukturë aktive) është e aftë të ndiejë ndryshimet në kushtet e jashtme për shkak të funksionimit të sistemit të sensorit / sistemit të dhënësit elektromekanik të ndërtuar në të. Në këtë mënyrë (për shkak të pranisë së një ose më shumë mikroprocesorëve dhe elektronikës të energjisë), ndryshimet e duhura mund të nxiten në përputhje me të dhënat që vijnë nga sensorët, duke lejuar që struktura të përshtatet me ndryshimet e jashtme. Një monitorim i tillë aktiv është i zbatueshëm jo vetëm për një sinjal të jashtëm hyrës (p.sh. presioni mekanik ose ndryshimi i formës), por edhe për ndryshimet në karakteristikat e brendshme (p.sh. dëmtimi ose dështimi). Shtrirja e aplikimit është mjaft e gjerë dhe përfshin sisteme hapësinore, avionë dhe helikopterë (kontroll i dridhjeve, zhurmës, ndryshimit të formës, shpërndarjes së stresit dhe qëndrueshmërisë aeroelastike), sisteme detare (anije dhe nëndetëse), si dhe teknologji mbrojtëse.
Një nga tendencat për të zvogëluar dridhjet (dridhjet) që ndodh në sistemet strukturore është shumë interesante. Sensorë të veçantë (të përbërë nga qeramika piezoelektrike me shumë shtresa) vendosen në pikat më të stresuara për të zbuluar dridhjet. Pas analizimit të sinjaleve të shkaktuara nga dridhjet, mikroprocesori dërgon një sinjal (proporcional me sinjalin e analizuar) tek aktivizuesi, i cili përgjigjet me një lëvizje të përshtatshme të aftë për të penguar dridhjen. Zyra e Teknologjisë së Aplikuar të Aviacionit të Ushtrisë Amerikane dhe NASA kanë testuar sisteme të ngjashme aktive në mënyrë që të zvogëlojnë dridhjet e disa elementëve të helikopterit CH-47, si dhe aeroplanët e bishtit të luftëtarit F-18. FDA tashmë ka filluar integrimin e materialeve aktive në tehet e rotorit për të kontrolluar dridhjet.
Në një rotor konvencional kryesor, tehet vuajnë nga nivele të larta të dridhjeve të shkaktuara nga rrotullimi dhe të gjitha fenomenet e lidhura. Për këtë arsye, dhe për të zvogëluar dridhjet dhe për të lehtësuar kontrollin e ngarkesave që veprojnë në tehe, u testuan tehe aktive me një kapacitet të lartë lakimi. Në një provë të veçantë (e quajtur "qark i shtrembëruar i ngulitur"), kur ndryshon këndi i sulmit, tehu është i shtrembëruar përgjatë gjithë gjatësisë së tij falë AFC të fibrave aktive (fibra elektro-qeramike të ngulitura në një matricë të butë polimer) të integruar në strukturën e tehut. Fijet aktive janë grumbulluar në shtresa, njëra shtresë mbi tjetrën, në sipërfaqet e sipërme dhe të poshtme të tehut në një kënd prej 45 gradë. Puna e fibrave aktive krijon një stres të shpërndarë në teh, i cili shkakton një përkulje përkatëse në të gjithë tehun, e cila mund të balancojë dridhjen e lëkundjes. Një test tjetër ("aktivizimi i lëkundjeve diskrete") karakterizohet nga përdorimi i gjerë i mekanizmave piezoelektrikë (aktivizues) për kontrollin e dridhjeve: aktivizuesit vendosen në strukturën e tehut për të kontrolluar funksionimin e disa deflektorëve të vendosur përgjatë skajit të zvarritur. Kështu, ndodh një reagim aeroelastik që mund të neutralizojë dridhjen e krijuar nga helika. Të dy zgjidhjet u vlerësuan në një helikopter të vërtetë CH-47D në një test të quajtur MiT Hower Test Sand.
Zhvillimi i elementeve strukturorë të ndryshuar hap perspektiva të reja në hartimin e strukturave me kompleksitet të shtuar, ndërsa pesha dhe kostoja e tyre zvogëlohen ndjeshëm. Një ulje e dukshme e niveleve të dridhjeve përkthehet në: jetëgjatësi të shtuar të strukturës, më pak kontrolle të integritetit strukturor, rritje të përfitimit të modeleve përfundimtare pasi strukturat i nënshtrohen më pak dridhjeve, komoditet të shtuar, përmirësim të performancës së fluturimit dhe kontroll të zhurmës në helikopterë.
Sipas NASA -s, pritet që gjatë 20 viteve të ardhshme, nevoja për sisteme të avionëve me performancë të lartë që do të bëhen më të lehta dhe më kompakte do të kërkojë përdorim më të gjerë të modeleve të ndryshimit.
Materiale vetë-shëruese
Materialet vetë-shëruese që i përkasin klasës së materialeve të zgjuara janë në gjendje të riparojnë në mënyrë të pavarur dëmtimet e shkaktuara nga stresi mekanik ose ndikimet e jashtme. Gjatë zhvillimit të këtyre materialeve të reja, sistemet natyrore dhe biologjike (për shembull, bimët, disa kafshë, lëkura e njerëzve, etj.) U përdorën si një burim frymëzimi (në fakt, në fillim ato quheshin materiale bioteknologjike). Sot, materialet vetë-shëruese mund të gjenden në përbërje të avancuara, polimere, metale, qeramikë, veshje dhe ngjyra kundër korrozionit. Theks i veçantë i vihet aplikimit të tyre në aplikimet hapësinore (kërkime në shkallë të gjerë po kryhen nga NASA dhe Agjencia Evropiane e Hapësirës), të cilat karakterizohen nga vakumi, ndryshimet e mëdha të temperaturës, dridhjet mekanike, rrezatimi kozmik, si dhe zvogëlimi i dëmtimit të shkaktuara nga përplasjet me mbeturinat e hapësirës dhe mikrometeoritet. Përveç kësaj, materialet vetë-shëruese janë thelbësore për industrinë e aviacionit dhe mbrojtjes. Kompozitet polimer modern të përdorur në hapësirën ajrore dhe ato ushtarake janë të ndjeshëm ndaj dëmtimeve të shkaktuara nga zjarri mekanik, kimik, termik, armik, ose një kombinim i këtyre faktorëve. Meqenëse dëmtimi brenda materialeve është i vështirë të vërehet dhe riparohet, zgjidhja ideale do të ishte eliminimi i dëmit që ka ndodhur në nivelin nano dhe mikro dhe rikthimi i materialit në vetitë dhe gjendjen e tij origjinale. Teknologjia bazohet në një sistem sipas të cilit materiali përfshin mikrokapsula të dy llojeve të ndryshme, njëra që përmban një përbërës vetë-shërues dhe tjetra një katalizator të caktuar. Nëse materiali dëmtohet, mikrokapsulat shkatërrohen dhe përmbajtja e tyre mund të reagojë me njëra -tjetrën, duke mbushur dëmin dhe duke rivendosur integritetin e materialit. Kështu, këto materiale kontribuojnë shumë në sigurinë dhe qëndrueshmërinë e përbërjeve të avancuara në avionët modernë, duke eleminuar nevojën për monitorim aktiv të kushtueshëm ose riparim dhe / ose zëvendësim të jashtëm. Pavarësisht nga karakteristikat e këtyre materialeve, ekziston nevoja për të përmirësuar mirëmbajtjen e materialeve të përdorura nga industria e hapësirës ajrore, dhe nanotubat e karbonit me shumë shtresa dhe sistemet epoksi janë propozuar për këtë rol. Këto materiale rezistente ndaj korrozionit rrisin qëndrueshmërinë në tërheqje dhe vetitë e amortizimit të përbërjeve dhe nuk ndryshojnë rezistencën e goditjes termike. Alsoshtë gjithashtu interesante të zhvillohet një material i përbërë me një matricë qeramike - një përbërje matricë që shndërron çdo molekulë oksigjeni (të depërtuar në material si rezultat i dëmtimit) në një grimcë silikoni -oksigjeni me një viskozitet të ulët, i cili mund të rrjedhë në dëmtime për shkak në efekt kapilar dhe mbushini ato. NASA dhe Boeing po eksperimentojnë me çarje të vetë-shërimit në strukturat e hapësirës ajrore duke përdorur një matricë elastomer polidimetilsiloksane me mikrokapsula të ngulitura.
Materialet vetë-shëruese janë të afta të riparojnë dëmtimet duke mbyllur hendekun rreth objektit të grushtuar. Natyrisht, aftësi të tilla po studiohen në nivelin e mbrojtjes, si për automjetet e blinduara dhe tanket, ashtu edhe për sistemet e mbrojtjes personale.
Materialet vetë-shëruese për aplikimet ushtarake kërkojnë vlerësim të kujdesshëm të variablave që lidhen me dëmtimet hipotetike. Në këtë rast, dëmi i ndikimit varet nga:
- energjia kinetike për shkak të plumbit (masa dhe shpejtësia), - modelet e sistemit (gjeometria e jashtme, materialet, forca të blinduara), dhe
- analiza e gjeometrisë së përplasjes (këndi i takimit).
Me këtë në mendje, DARPA dhe Laboratorët e Ushtrisë Amerikane po eksperimentojnë me materialet më të avancuara të vetë-shërimit. Në veçanti, funksionet restauruese mund të inicohen nga depërtimi i plumbave ku ndikimi balistik shkakton ngrohje të lokalizuar të materialit, duke bërë të mundur vetë-shërimin.
Studimet dhe testet e xhamit të vetë-shërimit janë shumë interesante, në të cilat çarjet e shkaktuara nga disa veprime mekanike mbushen me lëng. Xhami vetë-shërues mund të përdoret në prodhimin e xhamave antiplumb të automjeteve ushtarake, gjë që do t'i lejonte ushtarët të ruanin shikueshmëri të mirë. Gjithashtu mund të gjejë aplikim në fusha të tjera, aviacion, ekrane kompjuteri, etj.
Një nga sfidat kryesore të ardhshme është zgjatja e jetës së materialeve të përparuara të përdorura në elementet strukturore dhe veshjet. Materialet e mëposhtme janë duke u hetuar:
-materiale vetë-shëruese të bazuara në grafen (nanomaterial dypërmasor gjysmëpërçues i përbërë nga një shtresë e atomeve të karbonit), - rrëshira epoksi të përparuara, - materiale të ekspozuara ndaj dritës së diellit, - mikrokapsula kundër korrozionit për sipërfaqet metalike, - elastomerë të aftë të përballojnë goditjen e plumbave, dhe
nanotubat e karbonit të përdorur si një komponent shtesë për të rritur performancën e materialit.
Një numër i konsiderueshëm i materialeve me këto karakteristika janë duke u testuar dhe hetuar në mënyrë eksperimentale.
Dalje
Për shumë vite, inxhinierët shpesh propozuan projekte konceptualisht premtuese, por nuk mund t'i zbatonin ato për shkak të paarritshmërisë së materialeve të përshtatshme për zbatimin e tyre praktik. Sot, qëllimi kryesor është krijimi i strukturave të lehta me veti të jashtëzakonshme mekanike. Përparimi modern në materialet moderne (materiale të zgjuara dhe nanokompozita) luan një rol kyç, pavarësisht gjithë kompleksitetit, kur karakteristikat shpesh janë shumë ambicioze dhe ndonjëherë edhe kontradiktore. Aktualisht, gjithçka po ndryshon me një shpejtësi kaleidoskopike, për një material të ri, prodhimi i të cilit sapo fillon, ka një tjetër, mbi të cilin ata kryejnë eksperimente dhe prova. Industria e hapësirës ajrore dhe e mbrojtjes mund të korrin shumë përfitime nga këto materiale të mahnitshme.
