ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Прогресс в различных областях техники, и прежде всего в авиакосмической технике, робототехнике, электронике, медицине, связан с широким использованием наукоемких технологий и новых материалов. Одним из важнейших направлений развития материаловедения является разработка на основе достижений наукоемких технологий материалов 3-го поколения- так называемых интеллектуальных материалов (ИМ), которым «передан» интеллект ученого и инженера. К ним можно отнести: материалы, способные активно противодействовать внешним факторам (нагрузкам, излучению и др.) и адаптироваться к ним после оценки характера внешнего воздействия и собственного состояния; конструкционные материалы, способные анализировать и управлять своими эксплуатационными характеристиками; радиопоглощающие материалы, адекватно реагирующие на внешние электромагнитные воздействия радиолокационных станций (РЛС) и т.д.

Но, поскольку это – 3 поколение материалов, стоит упомянуть и предыдущие два.

К материалам 1-го поколения относятся изотропные материалы, которые, в свою очередь, могут быть однофазными (однородными на молекулярном уровне) или гетерофазными (композиционными).

Представителями композиционных материалов являются полимерные материалы, наполненные дисперсными частицами (порошки, короткие волокна), но сохраняющие изотропность свойств на макроуровне. Наполнение полимеров дисперсными частицами позволяет получать полимерные композиционные материалы с более высоким уровнем механических свойств, таких, как, например, прочность на разрыв, а также получать полимерные материалы со специальными свойствами (токопроводящие, магнитодиэлектрические, электроактивные и др.). Однако такое наполнение не дает возможность реализовать главное преимущество полимерных композиционных материалов, наполненных непрерывными волокнами (волоконных полимерных композиционных материалов, ВПКМ) – а именно, конструировать структуры высокопрочных материалов с планируемой анизотропией свойств, что особенно важно, например, для высоконагруженных изделий авиакосмической техники.

Материалы 2-го поколения – волоконные полимерные композиционные материалы, которые представляют собой анизотропные композиты на основе непрерывных армирующих высокомодульных волокон в виде различных текстильных форм (жгуты, нити, ленты, ткани). Структура таких материалов может быть оптимизирована по отношению к характеру внешних воздействий и сконструирована с требуемым уровнем анизотропии свойств.Как пример, можно привести углепластики для самоадаптирующихся конструкций, в которых используется эффект возникновения крутящих напряжений при изгибающей нагрузке, возникающей в аэродинамическом потоке и приводящих к изменению формы поверхности, подъемной силы на крыло и снижению напряженности конструкции из-за неравновесной структуры композиционного материала:

Именно оптимальное армирование волоконных полимерных композиционных материалов выделяет их в самостоятельную группу наполненных полимерных материалов, так как при наполнении порошками и короткими волокнами эффект анизотропии отсутствует. Волоконные полимерные композиционные материалы, как правило, являются материалами многофункционального назначения, которые в зависимости от свойств компонентов могут сочетать высокие прочностные свойства с тепло- и термостойкостью, химстойкостью, радиационной стойкостью, способностью экранировать ионизирующее излучение, радиопрозрачностью, радиоэкранированием, радиопоглощением. Два последних свойства были использованы, например, в технологии Stealth для уменьшения радиолокационной заметности летательных аппаратов.

При оптимизации структур волоконных полимерных композиционных материалов им придается определенный уровень «интеллектуальности». В частности, хотя и пассивной, но эффективной реакции материала на внешние воздействия (диссипация энергии при разрыве волокон, вязкоупругое поведение и гашение колебаний при вибрациях, остановка роста трещин стопперами и т.д.).

Ввиду наличия указанной пассивной «пассивной» интеллектуальности некоторые материалы этой группы уже относят к интеллектуальным полимерным конструкционным материалам 1-го поколения (классификации для конструкционных материалов в целом и для уже интеллектуальных материалов в частности частично пересекаются).

Также к ИМ 1-го поколения относят материалы, основанные на технология введения в конструкционный материал сенсорных элементов для мониторинга их состояния (хотя в некоторых источниках подобные материалы рассматривают, как отдельное поколение ИМ). Так, наличие волоконно-оптических датчиков позволяет в режиме реального времени получать информацию о поведении изделия из «интеллектуального» материала и уже на начальной стадии обнаруживать изменения его структуры задолго до появления необратимых деформаций в процессе мониторинга и обработки данных специальным программным обеспечением. Подобные материалы используются в самом широком диапазоне ответственных конструкций от авиакосмической техники до дорожного полотна. В последнем случае можно упомянуть применение информкомпозита на основе оптических волокон с брэгговскими решетками в качестве формирующей основы (опалубки) и бандажа (внешнего усиления) для бетонной арочной опоры быстровозводимого моста:

Необходимо отметить, однако же, что встраивание таких датчиков в конструкционный материал не проходит бесследно для его структуры, поскольку диаметр оптоволокон, например, на порядок и более превышает диаметр основных армирующих волокон в материале, что приводит к возникновению в нем внутренних напряжений. И как следствие, само может способствовать возникновению трещин

Интеллектуальные полимерные конструкционные материалы II поколения, называемые еще механокомпозитами – это материалы со встроеннымив полимерную матрицу функциональными компонентами, позволяющими осуществлять мониторинг деформаций, температуры и других факторов и активное противодействие внешним силам в режиме реального времени.

В качестве функциональных компонентов могут быть использованы сплавы с памятью формы, магнитострикционные сплавы, электрореологические и магнитные жидкости, электролюминисцентные и радиопоглощающие материалы, оптические волокона, пьезоэлектрики, бифункциональные сополимеры, проводящие полимеры, золь-гели и другие материалы. Предназначены для изготовления элементов сверхбыстродействующих обшивок или обтекателей, осуществляющих управление воздушными потоками без применения механических рулей, а также для осуществления активного гашения вибраций и перераспределения механических напряжений. Интеллектуальные материалы II поколения способны выполнять определенные функции автономно в ответ на изменение внешних параметров, а также использовать интегрированнные сенсоры для контроля качества при изготовлении изделий.

Вполне понятно, что использование ИМ при разработке многофункциональных конструкций высокой надежности, эксплуатируемых в условиях сложных комплексных воздействий различных факторов, на начальном этапе было направлено на совершенствование конструкций именно военного назначения(авиация, судостроение и др.).

При этом решались комплексные проблемы обеспечения прогнозируемого ресурса работоспособности таких конструкций в сочетании с возможностями улучшения специальных свойств. В частности, в самолетах 5-го поколения, обладающих высоким интеллектуальным потенциалом бортовых компьютеров, предполагается практически полная адаптация их конструкций (оболочки из интеллектуальных полимерных конструкционных материалов), силовой набор, элементы механизации крыла и др.) к изменяющимся внешним воздействиям. Так, уже самолеты СУ-27М, СУ-47, СУ-35 (поколение 4++ - вплотную приближенное к 5-му поколению) имели низкий уровень радиолокационной заметности (РЛЗ) благодаря «интеллектуальным» обшивкам из ИМ, которые позволяют создавать принципиально новые конструкции – smart skin («думающая оболочка»).

Особого внимания заслуживает и незаметность боевых летательных аппаратов для радиолокационных систем (РЛС). При современном уровне развития радиолокационных систем (РЛС) достаточно всего лишь 5% отраженной электромагнитной энергии для обнаружения объекта на расстоянии в тысячи км. В конструкции самолета (и корабля) много узлов, замаскировать которые от РЛС сложно: антенны, воздухозаборники двигателей, выхлопные сопла, струи продуктов сгорания топлива. Соответственно, развивалась (и развивается) уже упомянута технология Stealth, направленная на максимальное уменьшение радиолокационной заметности. Так, при разработке истребителей 5-го поколения с использованием ИМ было обеспечено снижение эффективной площади рассеивания (ЭПР) S_P боевых самолетов вплоть до сотых долей квадратного метра, что делает самолет практически невидимым даже для современных радиолокационных устройств.

В нынешнее время применение интеллектуальных материалов давно не ограничивается военной, или даже аэрокосмической сферой. Некоторые примеры их применения «на гражданке» уже были упомянуты. Еще один, из относительно новых, таков: летом 2014 года исследователи из Университета Северной Каролины и Университета Восточной Финляндии презентовали покрытие, которое обнаруживает трещины в бетоне. На поверхность наносится похожий на краску состав, содержащий проводящие материалы (медь). После того как «краска» высохнет, компьютерная программа начинает систематически пускать через покрытие слабый ток. При появлении трещин в бетоне электропроводимость нарушается. Расположение трещин можно точно вычислить благодаря расположенным по периметру электродам. Теоретически использование такой «краски» позволяет значительно сократить трудозатраты на контроль состояния объектов, например мостов. Таки образом, интеллектуализация материалов - закономерный этап развития материаловедения.

Мы рассмотрели классификацию конструкционных материалов, в которые входят интеллектуальные полимерные конструкционные материалы. Мы также рассмотрели классификацию интеллектуальных полимерных конструкционных материалов. Однако вся область интеллектуальных материалов,которая соотносится с первой классификацией, как материалы «3-го поколения», не исчерпывается полимерными композиционными материалами, которые мы рассмотрели во второй классификации. Соответственно, введем теперь уже максимально общее определение:

Интеллектуальными, или «умными» называются материалы, которые могут контролируемым образом изменять свои свойства в ответ на изменения окружающей среды. Основной особенностью интеллектуальных материалов является их способность преобразовывать один вид энергии в другой.Это дает возможность использовать их для выполнения сложных функций датчиков и исполнительных устройств – а иногда и нескольких функций одновременно – в приборе, по существу, состоящем из одного объема одного вещества.

Обычно, имея дело с техникой, мы наблюдаем два основных типа устройств, связанных с преобразования энергии – это датчики и исполнительные устройства, что и определяет главные области применения интеллектуальных материалов. Датчик преобразует действие в сигнал, тогда как исполнительное устройство преобразует сигнал в действие. Обычные датчики и исполнительные устройства изготавливаются, как правило, из нескольких материалов и имеют подвижные элементы. Интеллектуальные же материалы могут выполнять функции нескольких материалов и элементов одновременно, тем самым упрощая конструкцию устройства и сокращая количество составных частей, подверженных поломке или износу.