«Умная» ткань может изменять свой цвет и форму в ответ на раздражители, что делает ее универсальным и адаптируемым материалом для широкого спектра применений.

Профессор химического машиностроения из Университета Ватерлоо, Milad Kamkar считает, что новый интеллектуальный материал обладает почти безграничным потенциалом в таких областях, как искусственный интеллект, робототехника, игры и опыт виртуальной реальности, даже в качестве отдельного носимого устройства.

По словам ученого такая ткань дает возможность почувствовать тепло или испытать физический триггер, ведущий к более захватывающему приключению в виртуальном мире.

Инновационный дизайн ткани является результатом идеального сочетания мягких и твердых материалов, включая сочетание высокотехнологичных полимерных композитов и нержавеющей стали в тканую структуру. Для плетения «умной» ткани исследователи использовали специальное устройство, похожее на традиционный ткацкий станок.

Ученые отмечают, что концепция интеллектуальных материалов изначально была вдохновлена ​​биомимикрией.

Материал может активироваться низким напряжением электричества, что делает его энергоэффективным и рентабельным. Эта характеристика также делает его идеальным для интеграции в более мелкие и портативные устройства, а это означает, что он потенциально может применяться в биомедицинских устройствах и датчиках окружающей среды.

Следующим шагом для исследователей является улучшение характеристик памяти формы ткани.

Новый материал открывает широкие возможности от создания теплой одежды для защиты от холода, до самовосстанавливающегося после аварии бампера автомобиля.

Применение в военных приложениях. Что такое морфинг?

Увеличенное изображение микрокапсул из силикагеля в самовосстанавливающемся полимере

«Нетрадиционные материалы» – это одно из важнейших направлении развития технологий в военной и авиационно-космической отраслях. Материалам необходимо делать больше, чем просто служить опорной структурой – они должны быть «умными» материалами.

Умные материалы представляют собой особый класс материалов, которые имеют способность работать в качестве исполнительного механизма и в качестве сенсора, обеспечивая необходимые механические деформации, связанные с изменениями температуры, электрического тока или магнитного поля. Поскольку композиционные материалы состоят из более чем одного материала и благодаря современному технологическому прогрессу сегодня возможно включение других материалов (или структур) в процесс обеспечения интегрированной функциональности в таких областях как:

• Морфинг,
• Самовосстановление,
• Восприятие,
• Молниезащита, и
• Аккумуляция энергии.

Далее мы в этой статье остановимся на первых двух областях.

Морфинговые материалы и морфинговые структуры

К морфинговым относятся те материалы, которые, следуя входным сигналам, изменяют свои геометрические параметры и которые способны восстанавливать свою первоначальную форму, когда внешние сигналы прекращаются.

Эти материалы вследствие своей реакции в виде изменения формы используются в качестве исполнительных механизмов, но могут также использоваться обратным образом, то есть в качестве сенсоров, в которых прикладываемое на материал внешнее воздействие трансформируется в сигнал. Аэрокосмические приложения этих материалов разнообразны: сенсоры, исполнительные приводы, переключатели в электрических установках и аппаратуре, авионика и соединения в гидравлических системах. Преимущества здесь следующие: исключительная надежность, продолжительность службы, нет протечек, низкая стоимость установки и существенное уменьшение объема обслуживания. В частности, среди исполнительных механизмов, изготовленных из морфинговых материалов и сплавов с памятью формы, особый интерес представляют приводы для автоматического контроля систем охлаждения авионики и приводы для закрытия/открытия направляющих заслонок в системах кондиционирования кабин пилотов.

К материалам, которые изменяют форму в результате приложения электрического поля, относятся пьезоэлектрические материалы (явление возникновения поляризации материалов с кристаллической структурой под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект) и возникновения механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект)) и электрострикционные материалы. Разница заключается в реакции на приложенное электрическое поле: пьезоэлектрический материал может удлиняться или укорачиваться, тогда как электрострикционный материал только удлиняется вне зависимости от направления приложенного поля. В случае с сенсорами напряжение, генерируемое в результате механического воздействия, измеряется и обрабатывается с целью получения информации об этом же самом воздействии. Эти материалы с прямым пьезоэлектрическим эффектом широко применяются в датчиках ускорения и нагрузки, акустических датчиках. Другие материалы, базирующиеся на обратном пьезоэлектрическом эффекте, применяются во всех исполнительных устройствах; они зачастую используются в оптических системах, устанавливаемых на разведывательных спутниках, так как они способны регулировать положение объективов и зеркал с нанометровой точностью. Вышеупомянутые материалы также включаются в морфинговые структуры с целью изменения некоторых геометрических характеристик и придания этим структурам особых дополнительных свойств. Морфинговая структура (также называемая умной структурой или активной структурой) способна воспринимать изменения внешних условий благодаря работе системы датчиков/электромеханических преобразователей, встроенной в нее. Таким способом (благодаря наличию одного или более микропроцессоров и силовой электроники) можно вызывать соответствующие изменения в соответствии с данными, идущими от датчиков, позволяя структуре адаптироваться к внешним изменениям. Такой активный контроль применим не только к внешнему входному сигналу (например, механическое давление или изменение формы), но также к изменению внутренних характеристик (например, повреждение или сбой). Сфера применения довольно широкая и включает космические системы, самолеты и вертолеты (контроль вибрации, шума, изменения формы, распределение напряжений и аэроупругая устойчивость), морские системы (корабли и подводные лодки), а также технологии защиты.

Очень интересна одна из тенденций снижения вибрации (колебаний), возникающей в конструкционных системах. Специальные датчики (состоящие из многослойной пьезоэлектрической керамики) размещаются в самых нагруженных точках с целью обнаружения колебаний. После анализа сигналов, индуцированных вибрацией, микропроцессор посылает сигнал (пропорциональный проанализированному сигналу) исполнительному элементу, который реагирует соответствующим перемещением, способным препятствовать колебанию. В Управлении прикладной авиационной технологии американской армии и в НАСА были протестированы подобные активные системы с целью снижения вибраций некоторых элементов вертолета СН-47, а также хвостовых плоскостей истребителя F-18. В Управлении уже началась интеграция активных материалов в лопасти несущего винта с целью контроля вибрации.

В обычном несущем винте лопасти страдают от высокого уровня вибрации, вызванной вращением и всеми связанными с этим явлениями. По этой причине и для того чтобы уменьшить вибрацию и упростить контроль нагрузок, действующих на лопасти, были протестированы активные лопасти с высокой способностью к искривлению. В тесте особого типа (названном «встроенная схема скручивания») при изменении угла атаки происходит закручивание лопасти по всей ее длине благодаря активному волокнистому композиту AFC (электрокерамическое волокно, встроенное в матрицу мягкого полимера), интегрированному в структуру лопасти. Активные волокна уложены послойно, один слой над другим, на верхней и нижней поверхностях лопасти под углом 45 градусов. Работа активных волокон создает распределенное напряжение в лопасти, которое вызывает соответствующий изгиб по всей лопасти, способный уравновесить маховую вибрацию. Еще один тест («активация дискретных махов») характеризуется широким использованием пьезоэлектрических механизмов (актуаторов) для контроля вибрации: актуаторы размещаются в структуре лопасти для контроля работы некоторых дефлекторов, расположенных вдоль задней кромки. Таким образом, происходит аэроупругая реакция, способная нейтрализовать вибрацию, создаваемую винтом. Оба решения были оценены на реальном вертолете CH-47D при проведении теста, названного MiT Hower Test Sand.

Разработка морфинговых конструкционных элементов открывает новые перспективы при проектировании конструкций повышенной сложности, при этом заметно снижается их масса и стоимость. Заметное снижение уровня вибрации влечет за собой: увеличение срока службы конструкции, меньше проверок конструктивной целостности, повышение рентабельности конечных проектов, поскольку конструкции подвергаются меньшей вибрации, повышение комфорта, улучшение летных характеристик и контроль уровня шума в вертолетах.

По данным НАСА, ожидается, что в следующие 20 лет потребность в создании авиационных систем с высокими характеристиками, который будут становиться все более и более легкими и компактными, потребует более широкого применения морфинговых конструкций.

Рисунок, представляющий как работает самовосстанавливающийся материал

Самовосстанавливающиеся материалы

Самовосстанавливающиеся материалы, относящиеся к классу умных материалов, способны самостоятельно устранять повреждения, вызванные механическим напряжением или внешним воздействием. При разработке этих новых материалов в качестве источника вдохновения (на самом деле, в начале они назывались биотехнологическими материалами) использовались природные и биологические системы (например, растения, некоторые животные, человеческая кожа и т.д.). Сегодня самовосстанавливающиеся материалы могут встретиться в продвинутых композиционных материалах, полимерах, металлах, керамике, антикоррозийных покрытиях и красках.

Особый акцент делается на их применении в космических приложениях (масштабные исследования проводятся НАСА и Европейским космическим агентством), которые характеризуются вакуумом, большими перепадами температур, механическими вибрациями, космической радиацией, а также для снижения ущерба, вызванного столкновениями с космическим мусором и микрометеоритами. Кроме того, самовосстанавливающиеся материалы имеют большое значение для авиационной и оборонной сфер. Современные полимерные композиты, используемые в аэрокосмических и военных приложениях, восприимчивы к повреждениям, вызванным механическим, химическим, тепловым воздействием, вражеским огнем или комбинацией этих факторов.

Поскольку повреждения внутри материалов трудно заметить и отремонтировать, идеальным решением могло бы стать устранение возникшего повреждения на нано- и микроуровне и восстановление материала до оригинальных свойств и состояния. Технология базируется на системе, в соответствии с которой в материал включены микрокапсулы двух разных типов, одни содержат самовосстанавливающиеся компонент и вторые некий катализатор. При повреждении материала микрокапсулы разрушаются и их содержимое может вступать в реакцию друг с другом, заполняя повреждение и восстанавливая целостность материала.

Таким образом, эти материалы в значительной степени способствуют сохранности и долговечности продвинутых композитов в современном самолете, при этом исключается необходимость в дорогостоящем активном мониторинге или внешнем ремонте и/или замене. Несмотря на характеристики этих материалов, существует необходимость улучшения ремонтопригодности материалов, используемых авиационно-космической промышленностью, и для этой роли предлагаются многослойные углеродные нанотрубки и эпоксидные системы.

Эти коррозионностойкие материалы повышают предел прочности на разрыв и демпфирующие свойства композитов и не изменяют термостойкость. Интересна также разработка композиционного материала с керамической матрицей – матричный состав, преобразующий каждую молекулу кислорода (проникшую в материал в результате повреждения) в кремнекислородную частицу с низкой вязкостью, которая может перетекать в повреждения за счет капиллярного эффекта и заполнять их. НАСА и компания Boeing проводят эксперименты с самовосстановлением трещин в авиационно-космических конструкциях с использованием полидиметилсилоксановой эластомерной матрицы с включенными в нее микрокапсулами.

Самовосстанавливающиеся материалы способны устранять повреждения за счет ликвидации разрыва вокруг пробитого объекта. Очевидно, что подобные возможности изучаются на оборонном уровне, как для бронирования машин и танков, так и для систем персональной защиты.

Самовосстанавливающиеся материалы для военного применения требуют тщательной оценки переменных, связанных с гипотетическим повреждением. В этом случае повреждение при ударе зависит от:

• кинетической энергии, обусловленной пулей (масса и скорость),
• конструкции системы (внешняя геометрия, материалы, бронирование), и
• анализа геометрии столкновения (угол встречи).

Приняв это за основу, DARPA и лаборатории американской армии проводят эксперименты с самыми продвинутыми самовосстанавливающимися материалами. В частности, восстанавливающие функции могут быть инициированы пробиванием пули, когда баллистический удар вызывает локальное нагревание материала, делая возможным самовосстановление.

Очень интересны исследования и тесты самовосстанавливающегося стекла, в котором трещины, возникшие в результате некоего механического воздействия, наполняются жидкостью. Самовосстанавливающееся стекло может использоваться при изготовлении пуленепробиваемых лобовых стекол военных машин, что позволило бы солдатам сохранять хорошую обзорность. Также оно может найти применение и других областях, авиации, компьютерных дисплеях и т.д.

Одной из будущих основных задач является продление срока службы продвинутых материалов, применяемых в элементах конструкций и в покрытиях. Исследуются следующие материалы:

• самовосстанавливающиеся материалы на основе графена (двухмерный полупроводниковый наноматериал, состоящий из одного слоя атомов углерода),
• продвинутые эпоксидные смолы,
• материалы, подвергающиеся воздействию солнечного света,
• антикоррозийные микрокапсулы для металлических поверхностей,
• эластомеры, способные выдержать попадание пуль, и
  углеродные нанотрубки, используемые в качестве дополнительного компонента, повышающего характеристики материала.

Значительное число материалов с этими характеристиками в настоящее время тестируются и исследуются экспериментально.

Вывод

Многие годы инженеры часто предлагали концептуально перспективные проекты, но не могли реализовать их из-за недоступности соответствующих материалов для их практического воплощения. Сегодня основной целью является создание легких конструкций с выдающимися механическими свойствами. Современный прогресс в современных материалах (умные материалы и нанокомпозиты) играет ключевую роль, несмотря на всю сложность, когда часто характеристики очень амбициозные и порой даже противоречащие. В настоящее время всё меняется с калейдоскопической быстротой, за новым материалом, производство которого только начинается, появляется следующий, над которым проводят эксперименты и подвергают тестированию. Аэрокосмическая и оборонная промышленность может получить множество преимуществ от этих материалов с поразительными свойствами.