تعتبر "المواد غير التقليدية" من أهم مجالات تطوير التكنولوجيا في الصناعات العسكرية وصناعات الطيران. يجب أن تفعل المواد أكثر من مجرد كونها هيكل داعم - يجب أن تكون مواد ذكية
المواد الذكية هي فئة خاصة من المواد التي لها القدرة على العمل كمحرك وكمستشعر ، مما يوفر التشوهات الميكانيكية اللازمة المرتبطة بالتغيرات في درجة الحرارة أو التيار الكهربائي أو المجال المغناطيسي. نظرًا لأن المواد المركبة تتكون من أكثر من مادة وبسبب التقدم التكنولوجي الحديث ، فمن الممكن الآن تضمين مواد أخرى (أو هياكل) في عملية توفير وظائف متكاملة في مجالات مثل:
- تتحول ،
- الشفاء الذاتي ،
- تصور،
- الحماية من الصواعق ، و
- تخزين الطاقة.
سنركز على المجالين الأولين في هذه المقالة.
تحويل المواد والهياكل
تشتمل مواد التحوير على تلك المواد التي ، بعد إشارات الإدخال ، تغير معلماتها الهندسية والتي تكون قادرة على استعادة شكلها الأصلي عندما تتوقف الإشارات الخارجية.
تُستخدم هذه المواد ، بسبب تفاعلها في شكل تغيير في الشكل ، كمشغلات ، ولكن يمكن أيضًا استخدامها بطريقة معاكسة ، أي كمستشعرات يتم فيها تحويل التأثير الخارجي المطبق على المادة إلى الإشارة. تتنوع التطبيقات الفضائية لهذه المواد: أجهزة الاستشعار ، والمحركات ، والمفاتيح في التركيبات والأجهزة الكهربائية ، وإلكترونيات الطيران ، والوصلات في الأنظمة الهيدروليكية. الفوائد هي: موثوقية استثنائية ، وعمر خدمة طويل ، وعدم وجود تسرب ، وتكاليف تركيب منخفضة وتقليل كبير في الصيانة. على وجه الخصوص ، من بين المشغلات المصنوعة من مواد التشكيل وسبائك ذاكرة الشكل ، فإن مشغلات التحكم الآلي في أنظمة تبريد إلكترونيات الطيران والمحركات لإغلاق / فتح مخمدات التوجيه في أنظمة تكييف الهواء في قمرة القيادة ذات أهمية خاصة.
المواد التي تغير شكلها نتيجة لتطبيق مجال كهربائي تشمل المواد الكهرضغطية (ظاهرة استقطاب المواد ذات البنية البلورية تحت تأثير الضغوط الميكانيكية (التأثير الكهروضغطي المباشر) والتشوهات الميكانيكية تحت تأثير المجال الكهربائي (التأثير الكهروإجهادي العكسي)) والمواد الانضغاطية. يكمن الاختلاف في الاستجابة لمجال كهربائي مطبق: يمكن للمادة الكهرضغطية أن تطول أو تقصر ، بينما تطول المادة الكهروضوئية فقط ، بغض النظر عن اتجاه المجال المطبق. في حالة المستشعرات ، يتم قياس الجهد الناتج عن الإجهاد الميكانيكي ومعالجته من أجل الحصول على معلومات حول نفس الضغط. تستخدم هذه المواد ذات التأثير الكهروضغطي المباشر على نطاق واسع في مستشعرات التسارع والحمل وأجهزة الاستشعار الصوتية.يتم استخدام مواد أخرى تعتمد على التأثير الكهروضغطي العكسي في جميع المشغلات ؛ غالبًا ما تستخدم في الأنظمة البصرية لأقمار الاستطلاع ، حيث إنها قادرة على ضبط موضع العدسات والمرايا بدقة نانومترية. يتم تضمين المواد المذكورة أعلاه أيضًا في هياكل التحويل من أجل تغيير خصائص هندسية معينة ونقل خصائص إضافية خاصة لهذه الهياكل. إن بنية الشكل (تسمى أيضًا الهيكل الذكي أو الهيكل النشط) قادرة على استشعار التغيرات في الظروف الخارجية بسبب تشغيل نظام المستشعر / المحول الكهروميكانيكي المدمج فيه. بهذه الطريقة (نظرًا لوجود واحد أو أكثر من المعالجات الدقيقة وإلكترونيات الطاقة) ، يمكن إحداث تغييرات مناسبة وفقًا للبيانات الواردة من المستشعرات ، مما يسمح للهيكل بالتكيف مع التغييرات الخارجية. لا تنطبق هذه المراقبة النشطة فقط على إشارة الدخل الخارجية (مثل الضغط الميكانيكي أو تغيير الشكل) ، ولكن أيضًا على التغييرات في الخصائص الداخلية (مثل التلف أو الفشل). نطاق التطبيق واسع جدًا ويتضمن أنظمة الفضاء والطائرات والمروحيات (التحكم في الاهتزاز والضوضاء وتغيير الشكل وتوزيع الضغط والاستقرار المرن الجوي) والأنظمة البحرية (السفن والغواصات) ، فضلاً عن تقنيات الحماية.
أحد الميول لتقليل الاهتزازات (الاهتزازات) التي تحدث في الأنظمة الهيكلية أمر مثير للاهتمام. يتم وضع مستشعرات خاصة (تتكون من سيراميك كهرضغطية متعدد الطبقات) في أكثر النقاط توترًا من أجل اكتشاف الاهتزازات. بعد تحليل الإشارات التي يسببها الاهتزاز ، يرسل المعالج الدقيق إشارة (تتناسب مع الإشارة التي تم تحليلها) إلى المشغل ، والتي تستجيب بحركة مناسبة قادرة على تثبيط الاهتزاز. قام مكتب تكنولوجيا الطيران التطبيقي التابع للجيش الأمريكي ووكالة ناسا باختبار أنظمة نشطة مماثلة من أجل تقليل اهتزازات بعض عناصر المروحية CH-47 ، بالإضافة إلى الطائرات الخلفية لمقاتلة F-18. بدأت إدارة الغذاء والدواء بالفعل بدمج المواد الفعالة في ريش الدوار للتحكم في الاهتزازات.
في الدوار الرئيسي التقليدي ، تعاني الشفرات من مستويات عالية من الاهتزاز الناجم عن الدوران وجميع الظواهر ذات الصلة. لهذا السبب ، ومن أجل تقليل الاهتزازات وتسهيل التحكم في الأحمال التي تعمل على الشفرات ، تم اختبار الشفرات النشطة ذات قدرة الانحناء العالية. في نوع خاص من الاختبار (يسمى "دائرة الالتواء المضمنة") ، عندما تتغير زاوية الهجوم ، يتم لف النصل بطولها بالكامل بفضل مركب الألياف النشط AFC (الألياف الكهربية الخزفية المدمجة في مصفوفة بوليمر ناعمة) متكاملة في هيكل النصل. يتم تكديس الألياف النشطة في طبقات ، طبقة واحدة فوق الأخرى ، على الأسطح العلوية والسفلية للشفرة بزاوية 45 درجة. يخلق عمل الألياف النشطة ضغطًا موزعًا في الشفرة ، مما يتسبب في ثني مماثل في جميع أنحاء الشفرة ، والذي يمكن أن يوازن اهتزاز التأرجح. يتميز اختبار آخر ("تنشيط التأرجحات المنفصلة") بالاستخدام الواسع النطاق للآليات الكهرضغطية (المشغلات) للتحكم في الاهتزاز: يتم وضع المشغلات في بنية الشفرة للتحكم في تشغيل بعض العاكسات الموجودة على طول الحافة الخلفية. وبالتالي ، يحدث تفاعل مرن هوائي يمكنه تحييد الاهتزاز الناتج عن المروحة. تم تقييم كلا الحلين على طائرة هليكوبتر CH-47D حقيقية في اختبار يسمى MiT Hower Test Sand.
يفتح تطوير العناصر الهيكلية المتحولة آفاقًا جديدة في تصميم الهياكل ذات التعقيد المتزايد ، بينما يتم تقليل وزنها وتكلفتها بشكل كبير. يُترجم الانخفاض الملحوظ في مستويات الاهتزاز إلى: زيادة عمر الهيكل ، وعدد أقل من فحوصات السلامة الهيكلية ، وزيادة ربحية التصميمات النهائية حيث تخضع الهياكل إلى اهتزاز أقل ، وزيادة الراحة ، وتحسين أداء الطيران والتحكم في الضوضاء في طائرات الهليكوبتر.
وفقًا لوكالة ناسا ، من المتوقع أنه على مدار العشرين عامًا القادمة ، فإن الحاجة إلى أنظمة طائرات عالية الأداء ستصبح أخف وزناً وأكثر إحكاما ستتطلب استخدامًا مكثفًا لتصاميم التحويل.
مواد الشفاء الذاتي
المواد ذاتية الشفاء التي تنتمي إلى فئة المواد الذكية قادرة على إصلاح الأضرار الناجمة عن الإجهاد الميكانيكي أو التأثيرات الخارجية بشكل مستقل. عند تطوير هذه المواد الجديدة ، تم استخدام الأنظمة الطبيعية والبيولوجية (على سبيل المثال ، النباتات وبعض الحيوانات وجلد الإنسان وما إلى ذلك) كمصدر للإلهام (في الواقع ، كانت تسمى في البداية مواد التكنولوجيا الحيوية). اليوم ، يمكن العثور على مواد الشفاء الذاتي في المركبات المتقدمة ، والبوليمرات ، والمعادن ، والسيراميك ، والطلاءات المضادة للتآكل والدهانات. يتم التركيز بشكل خاص على تطبيقها في التطبيقات الفضائية (يتم إجراء أبحاث على نطاق واسع بواسطة وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية) ، والتي تتميز بالفراغ ، والاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة ، والاهتزازات الميكانيكية ، والإشعاع الكوني ، وكذلك لتقليل الضرر الناجمة عن الاصطدامات مع الحطام الفضائي والنيازك الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك ، تعتبر مواد الشفاء الذاتي ضرورية لصناعات الطيران والدفاع. مركبات البوليمر الحديثة المستخدمة في الفضاء والتطبيقات العسكرية عرضة للضرر الناجم عن نيران العدو الميكانيكية أو الكيميائية أو الحرارية أو مجموعة من هذه العوامل. نظرًا لأنه من الصعب ملاحظة الضرر داخل المواد وإصلاحه ، فإن الحل المثالي هو إزالة الضرر الذي حدث على مستوى النانو والجزئي وإعادة المادة إلى خصائصها وحالتها الأصلية. تعتمد التقنية على نظام تتضمن المادة بموجبه كبسولات دقيقة من نوعين مختلفين ، أحدهما يحتوي على مكون ذاتي الشفاء والآخر على محفز معين. في حالة تلف المادة ، يتم تدمير الكبسولات الدقيقة ويمكن أن تتفاعل محتوياتها مع بعضها البعض ، وملء الضرر واستعادة سلامة المادة. وبالتالي ، فإن هذه المواد تساهم بشكل كبير في سلامة ومتانة المركبات المتقدمة في الطائرات الحديثة ، مع التخلص من الحاجة إلى المراقبة النشطة المكلفة أو الإصلاح الخارجي و / أو الاستبدال. على الرغم من خصائص هذه المواد ، إلا أن هناك حاجة لتحسين قابلية صيانة المواد المستخدمة في صناعة الطيران ، وقد تم اقتراح أنابيب نانوية كربونية متعددة الطبقات وأنظمة إيبوكسي لهذا الدور. هذه المواد المقاومة للتآكل تزيد من قوة الشد وخصائص التخميد للمركبات ولا تغير مقاومة الصدمات الحرارية. من المثير للاهتمام أيضًا تطوير مادة مركبة مع مصفوفة خزفية - تركيبة مصفوفة تحول كل جزيء أكسجين (تم اختراقه في المادة نتيجة للضرر) إلى جسيم من السيليكون والأكسجين منخفض اللزوجة ، والذي يمكن أن يتدفق إلى التلف بسبب لتأثير الشعيرات الدموية وتعبئتها. تقوم ناسا وبوينج بتجربة شقوق ذاتية الشفاء في هياكل الفضاء باستخدام مصفوفة من المطاط الصناعي متعدد الميثيل سيلوكسان مع كبسولات دقيقة مدمجة.
مواد الشفاء الذاتي قادرة على إصلاح التلف عن طريق سد الفجوة حول الجسم المثقوب. من الواضح أن هذه القدرات يتم دراستها على المستوى الدفاعي ، سواء للمدرعات والدبابات أو لأنظمة الحماية الشخصية.
تتطلب مواد الشفاء الذاتي للتطبيقات العسكرية تقييمًا دقيقًا للمتغيرات المرتبطة بالضرر الافتراضي.في هذه الحالة ، يعتمد الضرر الناتج عن الاصطدام على:
- الطاقة الحركية بسبب الرصاصة (الكتلة والسرعة) ،
- تصميمات النظام (الهندسة الخارجية ، المواد ، الدروع) ، و
- تحليل هندسة الاصطدام (زاوية الاجتماع).
مع وضع هذا في الاعتبار ، تقوم DARPA ومختبرات الجيش الأمريكي بتجربة مواد الشفاء الذاتي الأكثر تقدمًا. على وجه الخصوص ، يمكن بدء الوظائف الترميمية من خلال اختراق الرصاص حيث يتسبب التأثير الباليستي في تسخين موضعي للمادة ، مما يجعل الشفاء الذاتي ممكنًا.
تعتبر الدراسات والاختبارات الخاصة بالزجاج الذاتي الشفاء مثيرة جدًا للاهتمام ، حيث تمتلئ الشقوق الناتجة عن بعض الإجراءات الميكانيكية بالسائل. يمكن استخدام زجاج الشفاء الذاتي في تصنيع الزجاج الأمامي المضاد للرصاص للمركبات العسكرية ، مما يسمح للجنود بالحفاظ على رؤية جيدة. يمكنه أيضًا العثور على تطبيقات في مجالات أخرى ، والطيران ، وشاشات الكمبيوتر ، وما إلى ذلك.
يتمثل أحد التحديات الرئيسية المستقبلية في إطالة عمر المواد المتقدمة المستخدمة في العناصر الهيكلية والطلاء. يتم التحقيق في المواد التالية:
- مواد ذاتية الشفاء تعتمد على الجرافين (مادة متناهية الصغر ثنائية الأبعاد تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون) ،
- راتنجات الايبوكسي المتقدمة ،
- المواد المعرضة لأشعة الشمس ،
- كبسولات دقيقة مضادة للتآكل للأسطح المعدنية ،
- اللدائن القادرة على تحمل تأثير الرصاص
تستخدم الأنابيب النانوية الكربونية كمكون إضافي لتحسين أداء المواد.
يتم حاليًا اختبار عدد كبير من المواد التي لها هذه الخصائص ودراستها بشكل تجريبي.
انتاج |
لسنوات عديدة ، غالبًا ما اقترح المهندسون مشاريع واعدة من الناحية المفاهيمية ، لكنهم لم يتمكنوا من تنفيذها بسبب عدم إمكانية الوصول إلى المواد المناسبة لتنفيذها العملي. اليوم ، الهدف الرئيسي هو إنشاء هياكل خفيفة الوزن بخصائص ميكانيكية رائعة. يلعب التقدم الحديث في المواد الحديثة (المواد الذكية والمركبات النانوية) دورًا رئيسيًا ، على الرغم من كل التعقيدات ، عندما تكون الخصائص غالبًا طموحة للغاية وأحيانًا متناقضة. في الوقت الحاضر ، كل شيء يتغير بسرعة متغيرة ، بالنسبة لمادة جديدة ، بدأ إنتاجها للتو ، وهناك مادة تالية ، يجرون عليها التجارب والاختبار. يمكن أن تجني صناعة الطيران والدفاع العديد من الفوائد من هذه المواد المذهلة.
