Интеллектуальные композиционные материалы

Необходимость превращения композиционных материалов из «черного ящика» в надежные контролируемые системы с предсказуемым поведением материалов (в том числе интеллектуальных армированных пластиков) в настоящее время актуально.

Интеллектуальные материалы (ИМ) появились благодаря новейшим достижениям высоких технологий. «Интеллектуальность» трактуется как способность ИМ самопроизвольно, «инстинктивно» отвечать на незапрограммированные ситуации, т.е. способность адаптироваться к неожиданностям с целью выживания. Требуется, чтобы ИМ компенсировали возникающие ограничения внешней среды, противодействовали им, сами исправляли свои повреждения или самовоспроизводились в наиболее подходящей форме.

Введены два новых для материаловедения понятия:

  • «приобретение материалом навыков»
  • «ощущение предельной ситуации»

Под «приобретением навыков» понимается улучшение адаптивного ответа в результате обучения, т. е. достижение наилучшей реакции ИМ на изменяющиеся условия окружающей среды. Материаловеды обеспечивают это выбором при проектировании ИМ соответствующего состава и конструкции для заданной функции.

Модификация свойств и новое поведение интеллектуальных материалов зачастую базируются на нелинейных характеристиках компонентов и на «ощущении предельной ситуации». Поскольку такой материал для своего выражения должен обновляться и становиться как бы другим, ему требуется несколько нелинейно меняющихся свойств.

Для обеспечения этих требований концепция ИМ включает следующие основные элементы:

  • контроль базовых функций;
  • оптимизацию свойств путем обучения;
  • выбор нового поведения ИМ, исходя из настроенности на окружающую среду (датчик);
  • анализ ситуации (процессор);
  • способность реагировать (актюатор).

Таким образом, интеллектуальные материалы — это новые виды функциональных материалов, обладающих признаками целых устройств или узлов конструкций, способностью «ощущать» внешние воздействия и собственное состояние, контролируемым образом реагировать на эти ощущения.

В настоящее время различают три типа конструкций ИМ:

  1. пассивная — проектируемая для диагностики состояния;
  2. реактивная — обладающая структурно-интегрированной сис-темой оптических микродатчиков и актюаторной управляющей системой;
  3. интеллектуальная — способная к адаптивному обучению и изменяющая характер своего реактивного ответа в зависимости от условий и приобретенного опыта.

Современные интеллектуальные материалы — по сути, композиционные материалы — основаны на использовании компонентов с памятью формы, пьезоэлектрических и магнитных сплавов, полимеров, керамик, электрореологических жидкостей, волоконной оптики и других, объединяющих элементы электроники и компоненты КМ.

«Умная» конструкция, содержащая встроенные датчики, актюаторы и микропроцессоры, работающие в интерактивном режиме, может демпфировать свои опасные вибрации и «замечать» деструкцию, нарушение структурной целостности. Если при этом в качестве основного конструкционного материала применяются КМ, то актюаторами являются монолитные приводные элементы, не содержащие трущихся частей.

Фундаментальные задачи, решаемые с помощью ИМ при создании изделий и конструкций, могут быть сформулированы следующим образом:

  • отслеживание конструкций и оценка повреждений;
  • обеспечение работоспособности, обслуживания и контроля систем и вспомогательных установок;
  • контроль хода технологических процессов, в частности при изготовлении изделий из ПКМ и при автоматизации технологических процессов.

Информация о рассмотренных принципах разработки интеллектуальных армированных пластиков доступна. Большая же часть работ инициируется и осуществляется оборонными ведомствами развитых стран и уже на этапе фундаментальных исследований практически не публикуется. Это подтверждает важность раз-рабатываемых технологий для целей будущего технологического лидерства и необходимость проведения таких работ.

Деление интеллектуальных конструкций на пассивные, реактивные и интеллектуальные отражает этапы «интеллектуализации» материалов в соответствии с уже разработанными технологическими идеями. При этом основное внимание уделяется пассивным системам, поскольку их реализация в составе конкретных проектов стала осуществляться с конца 80-х годов XX века. Перспективы развития пассивных конструкций связаны с интеграцией их в более сложные интеллектуальные системы. Следует отметить, что революционным скачком в создании пассивных систем будут разработки комплексных структур тотального контроля на базе «анализа образа конструкций» с применением различных методов детектирования и систем встроенных датчиков.

Реактивные конструкции менее развиты, что, по-видимому, связано с недостатком исследованных эффектов. Классические примеры использования материалов с памятью формы для изготовления реактивных устройств остаются, по существу, единственными технологическими разработками в этой области.

Описанные подходы к адаптивным системам отражают создание фундамента технологий ИМ третьего поколения, характеризующихся избирательностью в реагировании на внешние воздействия и накоплении некоторого опыта. Адаптивные системы уже сегодня находят применение в ряде ответственных конструкций, где их использование экономически оправдано.

Затрагивая вопросы коммерциализации высоких технологий вообще и, в частности, ИМ, необходимо отметить, что именно армированные пластики имеют здесь наибольшие перспективы. Особенности технологических процессов изготовления КМ, сложность и многостадийность делают эти материалы достаточно дорогими в обработке. Попытки создания более дешевых материалов приводят к получению неконкурентоспособных в сравнении с другими материалами изделий. Поскольку сложность технологии, а иногда и дороговизна исходных материалов есть характерная черта армированных пластиков, пути их развития и коммерциализации лежат в области высоких технологий и, в частности, технологии ИМ.

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.