变形和自愈材料
在自愈合聚合物中的硅胶微胶囊的放大图像
“非常规材料”是军事和航空航天工业中最重要的技术发展方向之一。 材料需要做的不仅仅是作为支撑结构 - 它们必须是“智能”材料。
智能材料是一类特殊的材料，能够作为执行器和传感器工作，提供与温度，电流或磁场变化相关的必要机械变形。 由于复合材料由多种材料组成，并且由于现代技术的进步，现在可以在以下领域中提供集成功能的过程中包括其他材料（或结构）：
- 变形，
- 自我修复，
- 感知，
- 防雷，和
- 积累能量。
在本文中，我们将重点关注前两个领域。
变形材料和变形结构
变形材料是那些在输入信号之后改变其几何参数并且当外部信号停止时能够恢复其原始形状的材料。
由于它们以形状变化的形式反应，这些材料被用作致动器，但它们也可以以相反的方式使用，即，作为传感器，其中施加到材料的外部影响被转换成信号。 这些材料的航空航天应用是多种多样的：传感器，执行器，电气装置和设备中的开关，航空电子设备和液压系统中的连接。 优点是：卓越的可靠性，长使用寿命，无泄漏，低安装成本和显着减少维护。 特别地，在由变形材料和具有形状记忆的合金制成的致动器中，用于自动控制航空电子设备冷却系统的驱动器和用于关闭/打开驾驶舱空调系统中的滑阀的驱动器是特别令人感兴趣的。
由于施加电场而改变形状的材料包括压电材料（在机械应力（直接压电效应）的作用下发生具有晶体结构的材料的极化和在电场（反向压电效应）和电致伸缩材料的作用下发生机械变形。 不同之处在于对施加的电场的反应：压电材料可以延长或缩短，而电致伸缩材料仅随着施加场的方向而延长。 在传感器的情况下，测量和处理由机械冲击产生的电压，以获得关于相同效果的信息。 这些具有直接压电效应的材料广泛用于加速度和载荷传感器，声学传感器。 基于反压电效应的其他材料用于所有致动器; 它们通常用于安装在侦察卫星上的光学系统，因为它们能够以纳米级精度调整镜头和镜子的位置。 上述材料也包括在变形结构中，以便改变某些几何特征并赋予这些结构特殊的附加特性。 变形结构（也称为智能结构或有源结构）能够感知由于内置于其中的传感器/机电换能器系统的操作而导致的外部条件的变化。 以这种方式（由于存在一个或多个微处理器和电力电子器件），可以根据来自传感器的数据引起相应的变化，允许该结构适应外部变化。 这种主动控制不仅适用于外部输入信号（例如，机械压力或形状变化），而且适用于内部特性的变化（例如，损坏或故障）。 适用范围非常广泛，包括空间系统，飞机和直升机（振动控制，噪声，形状变化，应力分布和气动弹性稳定性），海洋系统（船舶和潜艇）以及保护技术。
减少结构系统中发生的振动（振荡）的趋势之一非常有趣。 特殊传感器（由多层压电陶瓷组成）放置在最受力的点，以检测振动。 在分析了由振动引起的信号之后，微处理器将信号（与所分析的信号成比例）发送给执行器，执行器以相应的动作响应，该动作可以防止振荡。 在应用办公室 航空 美国陆军技术和美国宇航局已经测试了类似的主动系统，以减少CH-47直升机以及F-18战斗机尾翼飞机某些元件的振动。 该办公室已经开始将活性材料整合到转子叶片中，以控制振动。
在传统的转子中，叶片遭受由旋转和所有相关现象引起的高水平振动。 出于这个原因，并且为了减少振动并简化对作用在叶片上的负载的控制，测试了具有高曲率容量的有源叶片。 在一种特殊类型的测试（称为“内置扭曲模式”）中，当迎角发生变化时，由于嵌入叶片结构中的有源纤维复合材料AFC（嵌入软质聚合物基质中的电陶瓷纤维），叶片沿其整个长度扭曲。 在叶片的上表面和下表面上以45度的角度将有源纤维分层，一层叠在另一层上。 有源光纤的工作在叶片中产生分布应力，这导致沿整个叶片的相应弯曲，能够平衡摆动振动。 另一个测试（“离散摆动的激活”）的特征在于广泛使用压电机构（致动器）来控制振动：致动器放置在叶片结构中以控制一些偏转器沿后缘的操作。 因此，发生气动弹性反应，其可以抵消由螺杆产生的振动。 在测试期间，两种解决方案都在真正的CH-47D直升机上进行了评估，称为MiT Hower测试砂。
变形结构元件的开发为设计复杂性增加的结构开辟了新的视角，同时其重量和成本显着降低。 振动水平的显着降低需要：结构寿命的增加，对结构完整性的检查更少，最终项目的盈利能力增加，因为结构经受较少的振动，增加舒适性，改善飞行性能并控制直升机的噪音水平。
根据美国宇航局的预测，预计在接下来的20年中，制造高性能飞机系统的需求将变得越来越轻，越来越紧凑，需要更广泛地使用变形结构。
图表示自愈材料的工作原理。
自愈材料
属于智能材料类的自修复材料能够独立修复由机械应力或外部影响引起的损坏。 在开发这些新材料时，天然和生物系统（例如，植物，一些动物，人类皮肤等）被用作灵感（事实上，在开始时它们被称为生物技术材料）。 如今，自修复材料可用于先进的复合材料，聚合物，金属，陶瓷，防腐涂料和涂料。 特别强调它们在空间应用中的应用（由NASA和欧洲航天局进行的大规模研究），其特点是真空，大温差，机械振动，宇宙辐射，并且还减少与空间碎片和微陨石碰撞造成的损害。 此外，自愈材料对航空和国防部门非常重要。 用于航空航天和军事应用的现代聚合物复合材料易受机械，化学，热效应，敌人火力或这些因素的组合所造成的损害。 由于材料内部的损坏难以注意和修复，理想的解决方案是消除在纳米和微观水平上发生的损坏并将材料恢复到其原始特性和状态。 该技术基于一种系统，根据该系统，材料中包括两种不同类型的微胶囊，一种包含自修复组分，另一种包含某种催化剂。 如果材料受损，微胶囊会被破坏，它们的内容物会相互反应，填补损坏并恢复材料的完整性。 因此，这些材料极大地有助于现代飞机中的先进复合材料的安全性和耐久性，同时消除了对昂贵的主动监测或外部修理和/或更换的需要。 尽管这些材料具有这些材料的特性，但仍需要提高航空航天工业所用材料的可维护性，并且提出了多层碳纳米管和环氧树脂系统用于该作用。 这些耐腐蚀材料增加了复合材料的拉伸强度和阻尼性能，并且不会改变耐热性。 同样令人感兴趣的是开发具有陶瓷基质的复合材料 - 一种基质组合物，将每个氧分子（由于损坏而渗透到材料中）转化为低粘度二氧化硅颗粒，由于毛细效应可以流入损伤并填充它们。
自愈材料可以通过缩小被刺物体周围的间隙来修复损坏。 显然，此类机会正在国防层面进行研究，包括预订汽车和 坦克，以及个人防护系统。
用于军事用途的自愈材料需要仔细评估与假设损伤相关的变量。 在这种情况下，撞击伤害取决于：
- 由子弹引起的动能（质量和速度），
- 系统设计（外部几何形状，材料，预留）和
- 碰撞几何分析（会合角度）。
以此为基础，DARPA和美国军队的实验室正在用最先进的自愈材料进行实验。 特别地，当弹道冲击导致材料局部加热时，可以通过刺穿子弹来启动恢复功能，从而使得自愈能够成为可能。
非常有趣的是自愈玻璃的研究和测试，其中由某种机械作用引起的裂缝充满液体。 自修复玻璃可用于制造军用车辆的防弹挡风玻璃，这将使士兵保持良好的能见度。 它还可以在其他领域，航空，计算机显示器等中找到应用。
未来的主要任务之一是延长结构元件和涂层中使用的先进材料的寿命。 正在调查以下材料：
- 基于石墨烯的自修复材料（由一层碳原子组成的二维半导体纳米材料），
- 先进的环氧树脂，
- 暴露在阳光下的材料，
- 用于金属表面的防腐微胶囊，
- 能够承受子弹的弹性体，和
碳纳米管用作改善材料特性的附加组分。
目前正在试验和研究具有这些特征的大量材料。
结论
多年来，工程师经常提供概念上有前途的项目，但由于没有相关材料用于实际实施，因此无法实施。 今天，主要目标是创造具有出色机械性能的轻质结构。 现代材料（智能材料和纳米复合材料）的现代进步起着关键作用，尽管复杂性很强，但这些特征往往非常雄心勃勃，有时甚至是矛盾的。 目前，一切都随着千变万化的速度而变化;在刚刚开始生产的新材料之后，下一个出现，正在进行实验并进行测试。 航空航天和国防工业可以从这些具有惊人特性的材料中获得许多好处。
使用的材料：
www.shephardmedia.com
www.nasa.gov
www.darpa.mil
web.archive.org
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org
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