"Bahan bukan tradisional" adalah salah satu bidang pengembangan teknologi yang paling penting dalam industri ketenteraan dan aeroangkasa. Bahan perlu dilakukan lebih dari sekadar berfungsi sebagai struktur sokongan - mereka harus menjadi bahan pintar
Bahan pintar adalah kelas khas bahan yang mempunyai kemampuan untuk bertindak sebagai penggerak dan sebagai sensor, memberikan ubah bentuk mekanikal yang diperlukan yang berkaitan dengan perubahan suhu, arus elektrik atau medan magnet. Oleh kerana bahan komposit terdiri daripada lebih daripada satu bahan dan kerana kemajuan teknologi moden, kini mungkin untuk memasukkan bahan (atau struktur) lain dalam proses menyediakan fungsi bersepadu dalam bidang seperti:
- Morphing, - Penyembuhan diri, - Persepsi, - Perlindungan kilat, dan
- Penyimpanan tenaga.
Kami akan memberi tumpuan kepada dua bidang pertama dalam artikel ini.
Bahan morfing dan struktur morfing
Bahan morfing merangkumi bahan yang, mengikuti isyarat input, mengubah parameter geometri mereka dan yang dapat mengembalikan bentuk asalnya apabila isyarat luaran berhenti.
Bahan-bahan ini, kerana reaksi mereka dalam bentuk perubahan bentuk, digunakan sebagai penggerak, tetapi mereka juga dapat digunakan dengan cara yang berlawanan, yaitu, sebagai sensor di mana pengaruh luaran yang diterapkan pada bahan diubah menjadi isyarat. Aplikasi aeroangkasa dari bahan-bahan ini bervariasi: sensor, penggerak, suis dalam pemasangan dan peralatan elektrik, avionik, dan sambungan dalam sistem hidraulik. Kelebihannya adalah: kebolehpercayaan yang luar biasa, jangka hayat yang panjang, tanpa kebocoran, kos pemasangan yang rendah dan pengurangan penyelenggaraan yang ketara. Khususnya, di antara penggerak yang diperbuat daripada bahan morfing dan aloi memori bentuk, penggerak untuk kawalan automatik sistem penyejukan avionik dan penggerak untuk peredam panduan penutupan / pembukaan dalam sistem penyaman udara kokpit sangat menarik.
Bahan yang berubah bentuk akibat penerapan medan elektrik termasuk bahan piezoelektrik (fenomena polarisasi bahan dengan struktur kristal di bawah tindakan tekanan mekanikal (kesan piezoelektrik langsung) dan ubah bentuk mekanikal di bawah tindakan medan elektrik (kesan piezoelektrik terbalik)) dan bahan elektrostriktif. Perbezaannya terletak pada tindak balas terhadap medan elektrik yang diaplikasikan: bahan piezoelektrik dapat memanjangkan atau memendekkan, sementara bahan elektrostriktif hanya memanjang, terlepas dari arah bidang yang diterapkan. Bagi sensor, voltan yang dihasilkan oleh tekanan mekanik diukur dan diproses untuk mendapatkan maklumat mengenai tekanan yang sama. Bahan-bahan ini dengan kesan piezoelektrik langsung digunakan secara meluas dalam sensor pecutan dan beban, sensor akustik. Bahan lain berdasarkan kesan piezoelektrik terbalik digunakan dalam semua penggerak; mereka sering digunakan dalam sistem optik untuk satelit pengintaian, kerana mereka mampu menyesuaikan kedudukan lensa dan cermin dengan ketepatan nanometer. Bahan-bahan yang disebutkan di atas juga termasuk dalam struktur morfing untuk mengubah ciri-ciri geometri tertentu dan memberikan sifat tambahan khas pada struktur ini. Struktur morf (juga disebut struktur pintar atau struktur aktif) mampu merasakan perubahan keadaan luaran kerana pengoperasian sistem transduser sensor / elektromekanik yang dibina di dalamnya. Dengan cara ini (kerana adanya satu atau lebih mikropemproses dan elektronik kuasa), perubahan yang sesuai dapat diinduksi sesuai dengan data yang berasal dari sensor, yang memungkinkan struktur untuk menyesuaikan diri dengan perubahan luaran. Pemantauan aktif semacam itu tidak hanya berlaku untuk isyarat input luaran (misalnya tekanan mekanikal atau perubahan bentuk), tetapi juga perubahan pada ciri-ciri dalaman (misalnya kerosakan atau kegagalan). Skop aplikasi cukup luas dan meliputi sistem ruang angkasa, pesawat terbang dan helikopter (pengendalian getaran, kebisingan, perubahan bentuk, taburan tekanan dan kestabilan aeroelastik), sistem laut (kapal dan kapal selam), serta teknologi perlindungan.
Salah satu kecenderungan untuk mengurangkan getaran (getaran) yang berlaku dalam sistem struktur adalah sangat menarik. Sensor khas (terdiri daripada seramik piezoelektrik multilayer) diletakkan pada titik yang paling tertekan untuk mengesan getaran. Setelah menganalisis isyarat yang disebabkan oleh getaran, mikropemproses mengirimkan isyarat (sebanding dengan isyarat yang dianalisis) ke penggerak, yang bertindak balas dengan pergerakan yang sesuai yang mampu menghalang getaran. Pejabat Teknologi Penerbangan Gunaan Tentera AS dan NASA telah menguji sistem aktif yang serupa untuk mengurangkan getaran beberapa elemen helikopter CH-47, serta pesawat ekor pejuang F-18. FDA telah mula mengintegrasikan bahan aktif ke dalam rotor blades untuk mengawal getaran.
Dalam rotor utama konvensional, bilah mengalami getaran tahap tinggi yang disebabkan oleh putaran dan semua fenomena yang berkaitan. Atas sebab ini, dan untuk mengurangkan getaran dan memudahkan kawalan beban yang bertindak pada bilah, bilah aktif dengan kapasiti lenturan tinggi diuji. Dalam jenis ujian khas (disebut "litar berpusing tertanam"), apabila sudut serangan berubah, bilah dipintal sepanjang keseluruhannya berkat AFC komposit gentian aktif (serat elektro-seramik yang tertanam dalam matriks polimer lembut) yang terintegrasi ke dalam struktur bilah. Serat aktif disusun dalam lapisan, satu lapisan di atas yang lain, di permukaan atas dan bawah bilah pada sudut 45 darjah. Kerja serat aktif menghasilkan tegangan yang tersebar di bilah, yang menyebabkan lenturan yang sesuai ke seluruh bilah, yang dapat mengimbangkan getaran ayunan. Ujian lain ("pengaktifan ayunan diskrit") dicirikan oleh penggunaan mekanisme piezoelektrik (penggerak) yang meluas untuk kawalan getaran: penggerak diletakkan dalam struktur bilah untuk mengawal operasi beberapa deflektor yang terletak di sepanjang pinggir belakang. Oleh itu, reaksi aeroelastik berlaku yang dapat meneutralkan getaran yang dihasilkan oleh baling-baling. Kedua-dua penyelesaian dinilai pada helikopter CH-47D sebenar dalam ujian yang disebut MiT Hower Test Sand.
Perkembangan elemen struktur morfing membuka perspektif baru dalam reka bentuk struktur peningkatan kerumitan, sementara berat dan kosnya dikurangkan dengan ketara. Pengurangan tahap getaran yang ketara diterjemahkan ke dalam: peningkatan struktur kehidupan, pemeriksaan integriti struktur yang lebih sedikit, peningkatan keuntungan reka bentuk akhir kerana struktur dikenakan getaran yang lebih sedikit, peningkatan keselesaan, peningkatan prestasi penerbangan dan kawalan kebisingan di helikopter.
Menurut NASA, diharapkan dalam 20 tahun ke depan, keperluan sistem pesawat berprestasi tinggi yang akan menjadi lebih ringan dan lebih padat akan memerlukan penggunaan reka bentuk morfing yang lebih luas.
Bahan penyembuhan diri
Bahan penyembuhan diri yang tergolong dalam kelas bahan pintar mampu secara bebas memperbaiki kerosakan yang disebabkan oleh tekanan mekanikal atau pengaruh luaran. Semasa mengembangkan bahan baru ini, sistem semula jadi dan biologi (misalnya, tumbuhan, beberapa haiwan, kulit manusia, dan lain-lain) digunakan sebagai sumber inspirasi (sebenarnya, pada awalnya mereka dipanggil bahan bioteknologi). Hari ini, bahan penyembuhan diri boleh didapati dalam komposit, polimer, logam, seramik, lapisan anti-karat dan cat yang maju. Penekanan khusus diberikan pada aplikasi mereka dalam aplikasi ruang angkasa (penelitian skala besar sedang dilakukan oleh NASA dan Badan Antariksa Eropah), yang dicirikan oleh vakum, perbezaan suhu yang besar, getaran mekanik, sinaran kosmik, dan juga untuk mengurangkan kerosakan disebabkan oleh perlanggaran dengan serpihan ruang dan mikrometeorit. Di samping itu, bahan penyembuhan diri sangat penting untuk industri penerbangan dan pertahanan. Komposit polimer moden yang digunakan dalam aeroangkasa dan aplikasi ketenteraan terdedah kepada kerosakan yang disebabkan oleh mekanik, kimia, terma, tembakan musuh, atau gabungan faktor-faktor ini. Oleh kerana kerosakan di dalam bahan sukar diperhatikan dan diperbaiki, penyelesaian yang ideal adalah dengan menghapuskan kerosakan yang berlaku di peringkat nano dan mikro dan mengembalikan bahan tersebut ke sifat dan keadaan asalnya. Teknologi ini didasarkan pada sistem yang mana bahan tersebut meliputi mikrokapsul dari dua jenis yang berbeda, satu mengandung komponen penyembuhan diri dan yang lain adalah pemangkin tertentu. Sekiranya bahan rosak, mikrokapsul hancur dan kandungannya dapat bertindak balas antara satu sama lain, mengisi kerosakan dan memulihkan integriti bahan. Oleh itu, bahan-bahan ini sangat menyumbang kepada keselamatan dan ketahanan komposit canggih dalam pesawat moden, sambil menghilangkan keperluan untuk pemantauan aktif yang mahal atau pembaikan dan / atau penggantian luaran. Walaupun ciri-ciri bahan ini, ada keperluan untuk meningkatkan pemeliharaan bahan yang digunakan oleh industri aeroangkasa, dan nanotube karbon multilayer dan sistem epoksi dicadangkan untuk peranan ini. Bahan tahan kakisan ini meningkatkan kekuatan tegangan dan sifat redaman komposit dan tidak mengubah ketahanan kejutan terma. Ia juga menarik untuk mengembangkan bahan komposit dengan matriks seramik - komposisi matriks yang mengubah setiap molekul oksigen (menembus ke dalam bahan akibat kerosakan) menjadi zarah silikon-oksigen dengan kelikatan rendah, yang dapat mengalir ke kerosakan akibat ke kesan kapilari dan mengisinya. NASA dan Boeing bereksperimen dengan retakan penyembuhan diri dalam struktur aeroangkasa menggunakan matriks elastomer polydimethylsiloxane dengan mikrokapsul tertanam.
Bahan penyembuhan diri mampu memperbaiki kerosakan dengan menutup celah di sekitar objek yang ditebuk. Jelas sekali, kemampuan tersebut sedang dikaji di peringkat pertahanan, baik untuk melindung kenderaan dan kereta kebal, dan untuk sistem perlindungan diri.
Bahan penyembuhan diri untuk aplikasi ketenteraan memerlukan penilaian yang teliti terhadap pemboleh ubah yang berkaitan dengan kerosakan hipotetikal. Dalam kes ini, kerosakan kesan bergantung kepada:
- tenaga kinetik kerana peluru (jisim dan halaju), - reka bentuk sistem (geometri luaran, bahan, perisai), dan
- analisis geometri perlanggaran (sudut pertemuan).
Dengan ini, DARPA dan Makmal Tentera AS bereksperimen dengan bahan penyembuhan diri yang paling maju. Khususnya, fungsi pemulihan dapat dimulakan dengan penembusan peluru di mana impak balistik menyebabkan pemanasan lokal dari bahan, memungkinkan penyembuhan diri.
Kajian dan ujian kaca penyembuhan diri sangat menarik, di mana keretakan yang disebabkan oleh beberapa tindakan mekanikal diisi dengan cecair. Kaca penyembuhan diri dapat digunakan dalam pembuatan kaca depan kenderaan tentera yang dilancarkan peluru, yang akan memungkinkan askar untuk menjaga penglihatan yang baik. Ia juga dapat mencari aplikasi di bidang lain, penerbangan, paparan komputer, dll.
Salah satu cabaran utama masa depan adalah memperpanjang jangka hayat bahan canggih yang digunakan dalam elemen struktur dan pelapis. Bahan-bahan berikut sedang disiasat:
- bahan penyembuhan diri berdasarkan graphene (nanomaterial dua dimensi semikonduktor yang terdiri daripada satu lapisan atom karbon), - resin epoksi maju, - bahan yang terdedah kepada cahaya matahari, - mikrokapsul anti karat untuk permukaan logam, - elastomer yang mampu menahan hentakan peluru, dan
nanotube karbon digunakan sebagai komponen tambahan untuk meningkatkan prestasi bahan.
Sebilangan besar bahan dengan ciri-ciri ini sedang diuji dan diselidiki secara eksperimen.
Pengeluaran
Selama bertahun-tahun, jurutera sering mencadangkan projek yang menjanjikan secara konseptual, tetapi tidak dapat melaksanakannya kerana tidak dapat diaksesnya bahan yang sesuai untuk pelaksanaan praktikalnya. Hari ini, tujuan utamanya adalah untuk membuat struktur ringan dengan sifat mekanik yang luar biasa. Kemajuan moden dalam bahan moden (bahan pintar dan nanokomposit) memainkan peranan penting, di sebalik semua kerumitannya, apabila ciri-cirinya sering sangat bercita-cita tinggi dan kadangkala bertentangan. Pada masa ini, semuanya berubah dengan kelajuan kaleidoskopik, untuk bahan baru, pengeluarannya baru bermula, ada yang berikutnya, di mana mereka melakukan eksperimen dan ujian. Industri aeroangkasa dan pertahanan dapat memperoleh banyak faedah dari bahan-bahan yang luar biasa ini.
