Морфинг и самовосстанавливающиеся материалы

Рубрика:  

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.

Использованы материалы:
www.shephardmedia.com
www.nasa.gov
www.darpa.mil
web.archive.org

www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org

 

Перевод: Alex Alexeev