"Vật liệu phi truyền thống" là một trong những lĩnh vực phát triển công nghệ quan trọng nhất trong lĩnh vực quân sự và công nghiệp hàng không vũ trụ. Vật liệu cần làm được nhiều việc hơn là chỉ đóng vai trò là một cấu trúc hỗ trợ - chúng cần phải là những vật liệu thông minh
Vật liệu thông minh là một loại vật liệu đặc biệt có khả năng hoạt động như một thiết bị truyền động và như một cảm biến, cung cấp các biến dạng cơ học cần thiết liên quan đến những thay đổi về nhiệt độ, dòng điện hoặc từ trường. Vì vật liệu composite được cấu tạo từ nhiều hơn một vật liệu và do tiến bộ công nghệ hiện đại, nên hiện nay có thể bao gồm các vật liệu (hoặc cấu trúc) khác trong quá trình cung cấp chức năng tích hợp trong các lĩnh vực như:
- Biến thái, - Tự phục hồi, - Sự nhận thức, - Chống sét, và
- Tích trữ năng lượng.
Chúng tôi sẽ tập trung vào hai lĩnh vực đầu tiên trong bài viết này.
Vật liệu biến hình và cấu trúc biến hình
Vật liệu biến hình bao gồm những vật liệu, theo tín hiệu đầu vào, thay đổi các thông số hình học của chúng và có khả năng khôi phục hình dạng ban đầu khi các tín hiệu bên ngoài dừng lại.
Những vật liệu này, do phản ứng của chúng dưới dạng thay đổi hình dạng, được sử dụng làm thiết bị truyền động, nhưng chúng cũng có thể được sử dụng theo cách ngược lại, nghĩa là, như các cảm biến trong đó tác động bên ngoài tác dụng lên vật liệu được biến đổi thành dấu hiệu. Các ứng dụng hàng không vũ trụ của những vật liệu này rất đa dạng: cảm biến, thiết bị truyền động, công tắc trong lắp đặt và thiết bị điện, điện tử hàng không và các kết nối trong hệ thống thủy lực. Các lợi ích là: độ tin cậy vượt trội, tuổi thọ lâu dài, không bị rò rỉ, chi phí lắp đặt thấp và giảm đáng kể việc bảo trì. Đặc biệt, trong số các bộ truyền động làm bằng vật liệu biến hình và hợp kim nhớ hình dạng, bộ truyền động để điều khiển tự động hệ thống làm mát điện tử hàng không và bộ truyền động để đóng / mở bộ giảm chấn dẫn hướng trong hệ thống điều hòa không khí buồng lái được quan tâm đặc biệt.
Vật liệu thay đổi hình dạng do tác dụng của điện trường bao gồm vật liệu áp điện (hiện tượng phân cực của vật liệu có cấu trúc tinh thể dưới tác dụng của ứng suất cơ học (hiệu ứng áp điện trực tiếp) và biến dạng cơ học dưới tác dụng của điện trường (hiệu ứng áp điện ngược)) và vật liệu nhiễm điện. Sự khác biệt nằm ở phản ứng với điện trường đặt vào: vật liệu áp điện có thể dài ra hoặc ngắn lại, trong khi vật liệu điện động chỉ dài ra, bất kể hướng của trường tác dụng. Trong trường hợp cảm biến, điện áp tạo ra bởi ứng suất cơ học được đo và xử lý để thu được thông tin về ứng suất tương tự. Những vật liệu có hiệu ứng áp điện trực tiếp này được sử dụng rộng rãi trong cảm biến gia tốc và tải, cảm biến âm học. Các vật liệu khác dựa trên hiệu ứng áp điện ngược được sử dụng trong tất cả các thiết bị truyền động; chúng thường được sử dụng trong hệ thống quang học cho vệ tinh do thám, vì chúng có khả năng điều chỉnh vị trí của thấu kính và gương với độ chính xác nanomet. Các vật liệu nói trên cũng được bao gồm trong các cấu trúc biến hình để thay đổi các đặc điểm hình học nhất định và truyền các đặc tính bổ sung đặc biệt cho các cấu trúc này. Cấu trúc morph (còn được gọi là cấu trúc thông minh hoặc cấu trúc hoạt động) có khả năng cảm nhận những thay đổi trong điều kiện bên ngoài do hoạt động của hệ thống cảm biến / đầu dò điện cơ được tích hợp trong nó. Bằng cách này (do sự hiện diện của một hoặc nhiều bộ vi xử lý và điện tử công suất), những thay đổi thích hợp có thể được tạo ra phù hợp với dữ liệu đến từ các cảm biến, cho phép cấu trúc thích ứng với những thay đổi bên ngoài. Việc giám sát tích cực như vậy không chỉ áp dụng được đối với tín hiệu đầu vào bên ngoài (ví dụ: áp suất cơ học hoặc sự thay đổi hình dạng), mà còn đối với những thay đổi về đặc tính bên trong (ví dụ như hư hỏng hoặc hỏng hóc). Phạm vi ứng dụng khá rộng và bao gồm các hệ thống vũ trụ, máy bay và máy bay trực thăng (kiểm soát độ rung, tiếng ồn, thay đổi hình dạng, phân bố ứng suất và ổn định khí đàn hồi), hệ thống hàng hải (tàu và tàu ngầm), cũng như các công nghệ bảo vệ.
Một trong những khuynh hướng giảm rung động (rung động) xảy ra trong các hệ thống kết cấu rất đáng quan tâm. Các cảm biến đặc biệt (bao gồm gốm áp điện nhiều lớp) được đặt ở những điểm bị căng nhất để phát hiện rung động. Sau khi phân tích các tín hiệu gây ra rung động, bộ vi xử lý sẽ gửi một tín hiệu (tỷ lệ với tín hiệu được phân tích) đến bộ truyền động, bộ truyền động sẽ phản hồi lại bằng một chuyển động thích hợp có khả năng ức chế rung động. Văn phòng Công nghệ Hàng không Ứng dụng của Quân đội Mỹ và NASA đã thử nghiệm các hệ thống hoạt động tương tự nhằm giảm rung chấn của một số bộ phận của trực thăng CH-47, cũng như phần đuôi của máy bay chiến đấu F-18. FDA đã bắt đầu tích hợp các vật liệu hoạt động vào cánh quạt để kiểm soát độ rung.
Trong rôto chính thông thường, các cánh phải chịu mức độ rung cao do quay và tất cả các hiện tượng liên quan. Vì lý do này, và để giảm rung động và dễ dàng kiểm soát tải trọng tác động lên các cánh, các cánh hoạt động có khả năng uốn cao đã được thử nghiệm. Trong một loại thử nghiệm đặc biệt (được gọi là "mạch xoắn nhúng"), khi góc tấn công thay đổi, lưỡi dao được xoắn dọc theo toàn bộ chiều dài của nó nhờ vào hỗn hợp sợi hoạt tính AFC (sợi gốm điện được nhúng trong ma trận polyme mềm) được tích hợp vào cấu trúc phiến. Các sợi hoạt tính được xếp chồng lên nhau thành từng lớp, lớp này ở trên lớp kia, ở bề mặt trên và dưới của lưỡi dao theo góc 45 độ. Hoạt động của các sợi hoạt động tạo ra một ứng suất phân bố trong lưỡi dao, gây ra sự uốn cong tương ứng trên toàn bộ lưỡi dao, điều này có thể cân bằng độ rung lắc. Một thử nghiệm khác (“kích hoạt các dao động rời rạc”) được đặc trưng bởi việc sử dụng rộng rãi các cơ chế áp điện (cơ cấu truyền động) để kiểm soát rung động: các thiết bị truyền động được đặt trong cấu trúc lưỡi dao để điều khiển hoạt động của một số bộ làm lệch hướng nằm dọc theo mép sau. Do đó, phản ứng đàn hồi xảy ra có thể trung hòa độ rung do cánh quạt tạo ra. Cả hai giải pháp đều được đánh giá trên trực thăng CH-47D thực trong một thử nghiệm có tên MiT Hower Test Sand.
Sự phát triển của các yếu tố cấu trúc biến hình mở ra những quan điểm mới trong việc thiết kế các cấu trúc có độ phức tạp tăng lên, trong khi trọng lượng và chi phí của chúng được giảm đáng kể. Mức độ rung động giảm rõ rệt có nghĩa là: tăng tuổi thọ cấu trúc, ít kiểm tra tính toàn vẹn của cấu trúc hơn, tăng lợi nhuận của các thiết kế cuối cùng vì cấu trúc chịu ít rung động hơn, tăng sự thoải mái, cải thiện hiệu suất bay và kiểm soát tiếng ồn trong máy bay trực thăng.
Theo NASA, dự kiến trong vòng 20 năm tới, nhu cầu về các hệ thống máy bay hiệu suất cao trở nên nhẹ hơn và nhỏ gọn hơn sẽ đòi hỏi sử dụng rộng rãi hơn các thiết kế biến hình.
Vật liệu tự phục hồi
Vật liệu tự phục hồi thuộc nhóm vật liệu thông minh có khả năng tự sửa chữa các hư hỏng do ứng suất cơ học hoặc các tác động bên ngoài gây ra. Khi phát triển những vật liệu mới này, các hệ thống tự nhiên và sinh học (ví dụ, thực vật, một số động vật, da người, v.v.) được sử dụng làm nguồn cảm hứng (thực tế, ban đầu chúng được gọi là vật liệu công nghệ sinh học). Ngày nay, vật liệu tự phục hồi có thể được tìm thấy trong vật liệu tổng hợp tiên tiến, polyme, kim loại, gốm sứ, chất phủ và sơn chống ăn mòn. Đặc biệt nhấn mạnh vào ứng dụng của chúng trong các ứng dụng không gian (nghiên cứu quy mô lớn đang được thực hiện bởi NASA và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu), được đặc trưng bởi chân không, chênh lệch nhiệt độ lớn, rung động cơ học, bức xạ vũ trụ, cũng như để giảm thiệt hại do va chạm với các mảnh vỡ không gian và các vật thể siêu nhỏ. Ngoài ra, vật liệu tự phục hồi rất cần thiết cho ngành hàng không và quốc phòng. Vật liệu tổng hợp polyme hiện đại được sử dụng trong các ứng dụng hàng không và quân sự dễ bị hư hại do tác động cơ học, hóa học, nhiệt, hỏa lực của đối phương hoặc sự kết hợp của các yếu tố này. Vì hư hỏng bên trong vật liệu rất khó nhận thấy và sửa chữa, giải pháp lý tưởng sẽ là loại bỏ hư hỏng xảy ra ở cấp độ nano và vi mô và khôi phục vật liệu về các đặc tính và tình trạng ban đầu của nó. Công nghệ này dựa trên một hệ thống mà theo đó vật liệu bao gồm các vi nang của hai loại khác nhau, một loại chứa thành phần tự phục hồi và loại kia chứa một chất xúc tác nhất định. Nếu vật liệu bị hư hỏng, các vi nang bị phá hủy và nội dung của chúng có thể phản ứng với nhau, lấp đầy các hư hỏng và khôi phục tính toàn vẹn của vật liệu. Do đó, những vật liệu này góp phần rất lớn vào sự an toàn và độ bền của vật liệu tổng hợp tiên tiến trong máy bay hiện đại, đồng thời loại bỏ nhu cầu giám sát tích cực tốn kém hoặc sửa chữa và / hoặc thay thế bên ngoài. Bất chấp các đặc tính của các vật liệu này, cần phải cải thiện khả năng bảo trì của các vật liệu được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ và các ống nano cacbon nhiều lớp và hệ thống epoxy được đề xuất cho vai trò này. Các vật liệu chống ăn mòn này làm tăng độ bền kéo và đặc tính giảm chấn của vật liệu tổng hợp và không làm thay đổi khả năng chống sốc nhiệt. Nó cũng thú vị khi phát triển một vật liệu composite với ma trận gốm - một thành phần ma trận chuyển đổi từng phân tử oxy (thâm nhập vào vật liệu do bị hư hỏng) thành một hạt oxy-silic có độ nhớt thấp, có thể chảy vào hư hỏng do đến hiệu ứng mao dẫn và lấp đầy chúng. NASA và Boeing đang thử nghiệm các vết nứt tự phục hồi trong cấu trúc hàng không vũ trụ bằng cách sử dụng ma trận chất đàn hồi polydimethylsiloxan với các vi nang được nhúng.
Vật liệu tự phục hồi có khả năng sửa chữa hư hỏng bằng cách thu hẹp khoảng cách xung quanh vật thể bị đục lỗ. Rõ ràng, những khả năng như vậy đang được nghiên cứu ở cấp độ quốc phòng, cho cả xe thiết giáp và xe tăng, cũng như các hệ thống bảo vệ cá nhân.
Vật liệu tự phục hồi cho các ứng dụng quân sự yêu cầu đánh giá cẩn thận các biến số liên quan đến thiệt hại giả định. Trong trường hợp này, thiệt hại do va đập phụ thuộc vào:
- động năng của viên đạn (khối lượng và vận tốc), - thiết kế hệ thống (hình học bên ngoài, vật liệu, áo giáp) và
- phân tích hình học va chạm (góc gặp nhau).
Với suy nghĩ này, DARPA và Phòng thí nghiệm Quân đội Hoa Kỳ đang thử nghiệm các vật liệu tự phục hồi tiên tiến nhất. Đặc biệt, các chức năng phục hồi có thể được bắt đầu bằng sự xuyên thủng của viên đạn nơi tác động đạn đạo gây ra hiện tượng nóng cục bộ của vật liệu, làm cho khả năng tự phục hồi.
Các nghiên cứu và thử nghiệm về thủy tinh tự phục hồi rất thú vị, trong đó các vết nứt do tác động cơ học nào đó được lấp đầy bằng chất lỏng. Kính tự phục hồi có thể được sử dụng trong sản xuất kính chắn gió chống đạn của xe quân sự, cho phép binh lính duy trì tầm nhìn tốt. Nó cũng có thể tìm thấy ứng dụng trong các lĩnh vực khác, hàng không, màn hình máy tính, v.v.
Một trong những thách thức lớn trong tương lai là kéo dài tuổi thọ của các vật liệu tiên tiến được sử dụng trong các phần tử kết cấu và lớp phủ. Các tài liệu sau đang được điều tra:
- vật liệu tự phục hồi dựa trên graphene (vật liệu nano bán dẫn hai chiều bao gồm một lớp nguyên tử carbon), - nhựa epoxy tiên tiến, - vật liệu tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, - vi nang chống ăn mòn cho bề mặt kim loại, - chất đàn hồi có khả năng chịu được tác động của đạn, và
ống nano carbon được sử dụng như một thành phần bổ sung để nâng cao hiệu suất vật liệu.
Một số lượng đáng kể các vật liệu có các đặc điểm này hiện đang được thử nghiệm và khảo sát bằng thực nghiệm.
Đầu ra
Trong nhiều năm, các kỹ sư thường đề xuất các dự án đầy hứa hẹn về mặt khái niệm, nhưng không thể thực hiện chúng do không thể tiếp cận được các vật liệu thích hợp cho việc triển khai thực tế của họ. Ngày nay, mục tiêu chính là tạo ra các cấu trúc nhẹ với các đặc tính cơ học vượt trội. Tiến bộ hiện đại trong vật liệu hiện đại (vật liệu thông minh và vật liệu nanocompozit) đóng một vai trò quan trọng, bất chấp tất cả sự phức tạp, khi các đặc điểm thường rất tham vọng và đôi khi thậm chí trái ngược nhau. Hiện tại, mọi thứ đang thay đổi với tốc độ kính vạn hoa, đối với một loại vật liệu mới, việc sản xuất vật liệu mới chỉ bắt đầu, có một vật liệu tiếp theo, họ tiến hành các thí nghiệm và thử nghiệm. Ngành công nghiệp hàng không và quốc phòng có thể gặt hái nhiều lợi ích từ những vật liệu tuyệt vời này.
