"Geleneksel olmayan malzemeler", askeri ve havacılık endüstrilerinde teknoloji geliştirmenin en önemli alanlarından biridir. Malzemelerin destekleyici bir yapı olarak hizmet etmekten daha fazlasını yapması gerekir - akıllı malzemeler olmaları gerekir
Akıllı malzemeler, sıcaklık, elektrik akımı veya manyetik alandaki değişikliklerle ilişkili gerekli mekanik deformasyonları sağlayan, aktüatör ve sensör olarak hareket etme yeteneğine sahip özel bir malzeme sınıfıdır. Kompozit malzemeler birden fazla malzemeden oluştuğu için ve modern teknolojik ilerleme nedeniyle, artık aşağıdaki gibi alanlarda entegre işlevsellik sağlama sürecine diğer malzemeleri (veya yapıları) dahil etmek mümkündür:
- Dönüşüm, - Kendi kendini iyileştirme, - Algı, - Yıldırımdan korunma ve
- Enerji depolama.
Bu yazıda ilk iki alana odaklanacağız.
Morphing malzemeleri ve morphing yapıları
Dönüştürme malzemeleri, giriş sinyallerini izleyerek geometrik parametrelerini değiştiren ve harici sinyaller durduğunda orijinal şekillerini geri yükleyebilen malzemeleri içerir.
Bu malzemeler, şekil değişikliği şeklinde tepkimeleri nedeniyle aktüatör olarak kullanılırlar, ancak bunun tersi olarak da, yani malzemeye uygulanan bir dış etkinin bir malzemeye dönüştürüldüğü sensörler olarak da kullanılabilirler. sinyal. Bu malzemelerin havacılık ve uzay uygulamaları çeşitlidir: sensörler, aktüatörler, elektrik tesisatları ve aparatlarındaki anahtarlar, aviyonikler ve hidrolik sistemlerdeki bağlantılar. Avantajları şunlardır: olağanüstü güvenilirlik, uzun hizmet ömrü, sızıntı olmaması, düşük kurulum maliyetleri ve bakımda önemli bir azalma. Özellikle, biçim değiştiren malzemelerden ve şekil hafızalı alaşımlardan yapılmış aktüatörler arasında, aviyonik soğutma sistemlerinin otomatik kontrolü için aktüatörler ve kokpit iklimlendirme sistemlerindeki kılavuz damperleri kapatma/açma için aktüatörler özellikle ilgi çekicidir.
Bir elektrik alanının uygulanmasının bir sonucu olarak şekil değiştiren malzemeler arasında piezoelektrik malzemeler (mekanik streslerin etkisi altında kristal yapılı malzemelerin polarizasyonu olgusu (doğrudan piezoelektrik etki) ve bir elektrik alanının etkisi altında mekanik deformasyonlar (ters piezoelektrik etki) ve elektrostriktif malzemeler. Fark, uygulanan bir elektrik alanına tepkide yatmaktadır: bir piezoelektrik malzeme uzayabilir veya kısalabilirken, bir elektrostriktif malzeme, uygulanan alanın yönünden bağımsız olarak sadece uzar. Sensörler söz konusu olduğunda, aynı stres hakkında bilgi elde etmek için mekanik stres tarafından üretilen voltaj ölçülür ve işlenir. Direkt piezoelektrik etkiye sahip bu malzemeler ivme ve yük sensörlerinde, akustik sensörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Tüm aktüatörlerde ters piezoelektrik etkiye dayalı diğer malzemeler kullanılır; lenslerin ve aynaların konumunu nanometre hassasiyetinde ayarlayabildiklerinden, genellikle keşif uyduları için optik sistemlerde kullanılırlar. Sözü edilen malzemeler de belirli geometrik özellikleri değiştirmek ve bu yapılara özel ek özellikler kazandırmak için biçim değiştiren yapılara dahil edilir. Bir morf yapısı (akıllı yapı veya aktif yapı olarak da adlandırılır), içine yerleştirilmiş sensör / elektromekanik dönüştürücü sisteminin çalışması nedeniyle dış koşullardaki değişiklikleri algılama yeteneğine sahiptir. Bu şekilde (bir veya daha fazla mikroişlemci ve güç elektroniğinin varlığından dolayı), sensörlerden gelen verilere göre uygun değişiklikler indüklenebilir ve yapının dış değişikliklere uyum sağlamasına izin verilir. Bu tür aktif izleme, yalnızca harici bir giriş sinyaline (örneğin mekanik basınç veya şekil değişikliği) değil, aynı zamanda dahili özelliklerdeki değişikliklere de (örneğin hasar veya arıza) uygulanabilir. Uygulama kapsamı oldukça geniştir ve uzay sistemleri, uçak ve helikopterler (titreşim, gürültü, şekil değişikliği, stres dağılımı ve aeroelastik stabilite kontrolü), deniz sistemleri (gemiler ve denizaltılar) ile koruma teknolojilerini içerir.
Yapısal sistemlerde meydana gelen titreşimi (titreşimleri) azaltma eğilimlerinden biri çok ilginçtir. Titreşimleri algılamak için en stresli noktalara özel sensörler (çok katmanlı piezoelektrik seramiklerden oluşan) yerleştirilir. Titreşim kaynaklı sinyalleri analiz ettikten sonra, mikroişlemci, titreşimi engelleyebilen uygun bir hareketle yanıt veren aktüatöre bir sinyal (analiz edilen sinyalle orantılı) gönderir. ABD Ordusu Uygulamalı Havacılık Teknolojisi Ofisi ve NASA, CH-47 helikopterinin bazı unsurlarının yanı sıra F-18 avcı uçağının kuyruk uçaklarının titreşimlerini azaltmak için benzer aktif sistemleri test etti. FDA, titreşimi kontrol etmek için aktif malzemeleri rotor kanatlarına entegre etmeye başladı bile.
Geleneksel bir ana rotorda, kanatlar, dönme ve ilgili tüm fenomenlerin neden olduğu yüksek düzeyde titreşimden muzdariptir. Bu nedenle, titreşimi azaltmak ve kanatlara etkiyen yüklerin kontrolünü kolaylaştırmak için eğilme kapasitesi yüksek aktif kanatlar test edilmiştir. Özel bir test türünde ("gömülü büküm devresi" olarak adlandırılır), hücum açısı değiştiğinde, entegre aktif fiber kompozit AFC (yumuşak bir polimer matrisine gömülü elektro-seramik fiber) sayesinde bıçak tüm uzunluğu boyunca bükülür. bıçak yapısı içine. Aktif lifler, bıçağın üst ve alt yüzeylerinde 45 derecelik bir açıyla katmanlar halinde üst üste istiflenir. Aktif liflerin çalışması, bıçakta, salınım titreşimini dengeleyebilen, bıçak boyunca karşılık gelen bir bükülmeye neden olan dağıtılmış bir stres yaratır. Diğer bir test (“ayrık salınımların aktivasyonu”), titreşim kontrolü için piezoelektrik mekanizmaların (aktüatörler) yaygın kullanımı ile karakterize edilir: aktüatörler, arka kenar boyunca bulunan bazı deflektörlerin çalışmasını kontrol etmek için bıçak yapısına yerleştirilir. Böylece pervane tarafından üretilen titreşimi nötralize edebilen bir aeroelastik reaksiyon meydana gelir. Her iki çözüm de MiT Hower Test Sand adlı bir testte gerçek bir CH-47D helikopterinde değerlendirildi.
Biçim değiştiren yapısal elemanların geliştirilmesi, ağırlıkları ve maliyetleri önemli ölçüde azalırken, karmaşıklığı artan yapıların tasarımında yeni perspektifler açar. Titreşim seviyelerinde belirgin bir azalma şu anlama gelir: artan yapı ömrü, daha az yapısal bütünlük kontrolü, yapılar daha az titreşime maruz kaldığı için nihai tasarımların artan karlılığı, artan konfor, iyileştirilmiş uçuş performansı ve helikopterlerde gürültü kontrolü.
NASA'ya göre, önümüzdeki 20 yıl içinde, daha hafif ve daha kompakt hale gelecek yüksek performanslı uçak sistemlerine duyulan ihtiyacın, dönüşümlü tasarımların daha kapsamlı kullanımını gerektirmesi bekleniyor.
Kendi kendini iyileştiren malzemeler
Akıllı malzemeler sınıfına ait kendi kendini iyileştiren malzemeler, mekanik stres veya dış etkilerden kaynaklanan hasarı bağımsız olarak onarabilir. Bu yeni materyaller geliştirilirken ilham kaynağı olarak doğal ve biyolojik sistemler (örneğin bitkiler, bazı hayvanlar, insan derisi vb.) kullanıldı (aslında başlangıçta bunlara biyoteknolojik materyaller deniyordu). Günümüzde kendi kendini iyileştiren malzemeler gelişmiş kompozitlerde, polimerlerde, metallerde, seramiklerde, korozyon önleyici kaplamalarda ve boyalarda bulunabilir. Vakum, büyük sıcaklık farklılıkları, mekanik titreşimler, kozmik radyasyon ve ayrıca hasarı azaltmak için karakterize edilen uzay uygulamalarında (NASA ve Avrupa Uzay Ajansı tarafından büyük ölçekli araştırmalar yürütülmektedir) uygulamalarına özel önem verilmektedir. uzay enkazı ve mikrometeoritlerle çarpışmalardan kaynaklanır. Ayrıca kendi kendini onaran malzemeler havacılık ve savunma sanayi için olmazsa olmazdır. Havacılık ve askeri uygulamalarda kullanılan modern polimer kompozitler, mekanik, kimyasal, termal, düşman ateşi veya bu faktörlerin bir kombinasyonunun neden olduğu hasara karşı hassastır. Malzemelerin içindeki hasarların fark edilmesi ve onarılması zor olduğundan, nano ve mikro düzeyde oluşan hasarı ortadan kaldırmak ve malzemeyi orijinal özelliklerine ve durumuna geri döndürmek ideal çözüm olacaktır. Teknoloji, malzemenin, biri kendi kendini iyileştiren bileşen ve diğeri belirli bir katalizör içeren iki farklı tipte mikrokapsül içerdiği bir sisteme dayanmaktadır. Malzeme hasar görürse, mikrokapsüller tahrip olur ve içerikleri birbirleriyle reaksiyona girerek hasarı doldurur ve malzemenin bütünlüğünü geri yükler. Böylece bu malzemeler, modern uçaklarda gelişmiş kompozitlerin güvenliğine ve dayanıklılığına büyük ölçüde katkıda bulunurken, maliyetli aktif izleme veya harici onarım ve/veya değiştirme ihtiyacını ortadan kaldırır. Bu malzemelerin özelliklerine rağmen, havacılık endüstrisi tarafından kullanılan malzemelerin sürdürülebilirliğinin iyileştirilmesine ihtiyaç vardır ve bu rol için çok katmanlı karbon nanotüpler ve epoksi sistemler önerilmektedir. Bu korozyona dayanıklı malzemeler, kompozitlerin çekme mukavemetini ve sönümleme özelliklerini arttırır ve termal şok direncini değiştirmez. Seramik matrisli bir kompozit malzeme geliştirmek de ilginçtir - her oksijen molekülünü (hasar sonucu malzemeye nüfuz eden) düşük viskoziteli bir silikon-oksijen partikülüne dönüştüren bir matris bileşimidir, bu da hasara akabilir. kılcal etkiye ve onları doldurun. NASA ve Boeing, gömülü mikrokapsüllere sahip bir polidimetilsiloksan elastomer matrisi kullanarak havacılık yapılarında kendi kendini iyileştiren çatlakları deniyorlar.
Kendi kendini iyileştiren malzemeler, delinmiş nesnenin etrafındaki boşluğu kapatarak hasarı onarabilir. Açıkçası, bu tür yetenekler hem zırhlı araçlar ve tanklar hem de kişisel koruma sistemleri için savunma düzeyinde inceleniyor.
Askeri uygulamalar için kendi kendini iyileştiren materyaller, varsayımsal hasarla ilişkili değişkenlerin dikkatli bir şekilde değerlendirilmesini gerektirir. Bu durumda, darbe hasarı şunlara bağlıdır:
- mermiden kaynaklanan kinetik enerji (kütle ve hız), - sistem tasarımları (dış geometri, malzemeler, zırh) ve
- çarpışma geometrisi analizi (karşılaşma açısı).
Bunu akılda tutarak, DARPA ve ABD Ordusu Laboratuvarları en gelişmiş kendi kendini iyileştiren malzemeleri deniyor. Özellikle, balistik etkinin malzemenin lokalize ısınmasına neden olduğu ve kendi kendini iyileştirmeyi mümkün kıldığı durumlarda, onarıcı işlevler mermi penetrasyonu ile başlatılabilir.
Bazı mekanik hareketlerin neden olduğu çatlakların sıvı ile doldurulduğu kendi kendini iyileştiren cam çalışmaları ve testleri çok ilginçtir. Kendi kendini iyileştiren cam, askeri araçların kurşun geçirmez ön camlarının imalatında kullanılabilir, bu da askerlerin iyi bir görünürlük sağlamasını sağlar. Ayrıca diğer alanlarda, havacılıkta, bilgisayar ekranlarında vb. uygulama bulabilir.
Gelecekteki en büyük zorluklardan biri, yapısal elemanlarda ve kaplamalarda kullanılan gelişmiş malzemelerin ömrünü uzatmaktır. Aşağıdaki malzemeler araştırılmaktadır:
- grafen bazlı kendi kendini iyileştiren malzemeler (bir karbon atomu katmanından oluşan iki boyutlu yarı iletken nanomalzeme), - gelişmiş epoksi reçineleri, - güneş ışığına maruz kalan malzemeler, - metal yüzeyler için korozyon önleyici mikrokapsüller, - mermi darbesine dayanabilen elastomerler ve
malzeme performansını artırmak için ek bir bileşen olarak kullanılan karbon nanotüpler.
Bu özelliklere sahip önemli sayıda malzeme şu anda deneysel olarak test edilmekte ve araştırılmaktadır.
Çıktı
Uzun yıllar boyunca, mühendisler genellikle kavramsal olarak gelecek vaat eden projeler önerdiler, ancak pratik uygulamaları için uygun materyallerin erişilememesi nedeniyle bunları uygulayamadılar. Günümüzde ana hedef, üstün mekanik özelliklere sahip hafif yapılar oluşturmaktır. Modern malzemelerdeki (akıllı malzemeler ve nanokompozitler) modern ilerleme, özelliklerin genellikle çok iddialı ve hatta bazen çelişkili olduğu tüm karmaşıklığa rağmen kilit bir rol oynamaktadır. Şu anda, üretimi yeni başlayan yeni bir malzeme için her şey sürekli değişen bir hızla değişiyor, üzerinde deneyler ve testler yaptıkları bir sonraki malzeme var. Havacılık ve savunma endüstrisi, bu şaşırtıcı malzemelerden birçok fayda elde edebilir.
