proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2017 год
  Агентство  ПРоАтом. 20 ЛЕТ с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Обсудим?!
Очередные санкции США против России – это:
Спектакль, срежиссированный высшим руководством
Торговая война Запада против России
Реакция западного общества на российскую экспансию
Попытка сдержать бурное развитие военной мощи РФ
Другое

Результаты
Другие опросы
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. Информация: (812) 438-32-77, E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
PRo Рекламу

[21/01/2015]     Перспективные конструкционные материалы. Часть II

Концепция создания и перспективы использования «интеллектуальных материалов»

В.Н.Половинкин, засл. деятель науки РФ, д.т.н., проф.

Часть I

Будущее мирового судостроения и особенно военного кораблестроения уже в ближайшей перспективе будет в значительной степени определяться широким внедрением в практику так называемых «интеллектуальных материалов» и конструкций. Из анализа экспертных оценок специалистов следует, что в ближайшие 20 лет до 90 %современных материалов, применяемых в промышленности, могут быть заменены новыми, в частности «интеллектуальными» материалами, что позволит создать элементы конструкций, которые будут определять технический прогресс XXI в.


К настоящему времени полный цикл научных исследований в области создания «интеллектуальных материалов» практически завершен. Однако конечной целью такой работы является создание несущих конструкций, в которых «интеллектуальные материалы» способствуют не только изменению состояния конструкций, но и их перемещению или даже самовосстанавлению.

Согласно принятому определению, под «интеллектуальным материалом» или «интеллектуальной конструкцией» понимается система, способная в реальном масштабе времени регистрировать внешние воздействия и активно реагировать на них, изменяя свои свойства в режиме максимально адекватного отражения или противодействия таким воздействиям. Изменения свойств позволяют материалу или в целом конструкции динамически подстраиваться к условиям окружающей среды. Такое поведение материалов или конструкций особенно актуально при решении проблем защиты кораблей по физическим полям.

К «интеллектуальным материалам» будущего относится различные как по химическому, так и по агрегатному состоянию материалы, которые объединяет проявление одной или нескольких физических характеристик (например, оптических, магнитных, электрических, механических), и(или) физико-химических характеристик (например, реологических), значительно (обратимо или необратимо) изменяющихся под действием внешних управляемых или случайных воздействий. В качестве таких воздействий могут быть изменения давления,температуры, влажности, pH среды, электрического,магнитного, или электромагнитного полей и других факторов.

«Интеллектуальными» разнородные материалы делает проявление взаимозависимых, но различных по своей природе свойств, например,пьезоэлектрических, термохромных, фотохромных, магнитореологических свойств, а также памяти формы и действия. В окружающем нас мире такие природные материалы,встречаются достаточно часто. К их числу можно отнести различные активные минералы и даже воду.

«Интеллектуальные материалы» можно использовать как в качестве сенсоров, чувствительных к какому-либо воздействию, так и в качестве актуаторов, вызывающих искусственно совершаемое, но при этом управляемое действие при получении контролирующего сигнала. В качестве примера простейших «интеллектуальных материалов» можно привести биметаллические пластины в регуляторах температуры.  К «интеллектуальным материалам» можно также отнести пьезоэлектрики (альфа-кварц, титанат-цирконат свинца и др.),термоэлектрики, мультиферроики, магнитокалорические материалы, материалы с эффектом гигантского магнитного сопротивления, магнитореологические,электрореологические жидкости, материалы, обладающие эффектом памяти формы(например, нитинол), термо- и фоточувствительные полимеры. Сюда же относятся и полимерные гели, способные изменять объем или другие свойства даже при незначительном изменении внешних условий. В качестве примера можно привести уже разработанную и используемую в боевых условиях т. н. «жидкую броню». Создать «интеллектуальные»монометаллы или сплавы чрезвычайно трудно. С уверенностью можно говорить о реальной перспективе создания «интеллектуальных конструкций», представляющих собой основу- монометалл или биметалл и специальное «интеллектуальное» покрытие. Различные полимерные покрытия, значительно изменяющие свои электропроводящие, оптические,антифрикционные или другие свойства при сорбции определенных веществ, входящих в их рецептуру, уже сегодня достаточно широко применяются в различных сенсорах приборов, используемых, в том числе, для мониторинга сред и, в частности, для определения концентрации токсичных компонентов.

Наибольшие перспективы при создании «интеллектуальных материалов» специалисты связывают с нанотехнологиями и наноматериалами. Однако не меньшую  роль в решении данной проблемы играют «интеллектуальные композиты». Они представляют собой особым образом структурированные системы, состоящие из подсистем считывания внешнего воздействующего сигнала, подсистемы его обработки, подсистемы функционального отклика, механизма обратной связи, самодиагностирования и самовосстановления (в случае требуемой обратимости). Каждый элемент такой сложной структурной системы имеет определенную функциональность, при этом вся система строиться по принципу: «принимать решение и совершать действие».

Уже достаточно широко известны материалы, на основе которых можно сконструировать подобную перспективную систему. Например,к таким материалам можно отнести:

- сплавы и полимеры с развитой памятью формы и действия, которые деформируются, а затем восстанавливают свою форму при изменении температуры или напряженности магнитного, электрического или электромагнитного поля;

- pH-чувствительные полимеры, которые набухают или коллапсируют при изменении кислотности окружающей среды;

- температурочувствительные полимеры или другие покрытия, например, на основе интеркалированного графита, изменяющие свои свойства при изменении температуры окружающей среды, защищая при этом изделия от любого высокотемпературного воздействия;

- галохромные, электрохромные, термохромные, фотохромные материалы, которые изменяют цвет (или его пропускание) при изменении температуры, кислотности среды, приложенного напряжения электрического (электромагнитного) поля,облучении светом соответственно;

- неньютоновские жидкости, которые изменяют свою вязкость вплоть до потери текучести при изменении величины приложенной скорости сдвига, а также другие жидкостные «интеллектуальные системы», способные изменить свое движение под действием электрического сигнала и вызывать появление реальных сил и смещений;

- магнитострикционные материалы, используемые в качестве активных приводов,реагирующих на изменение внешних условий.

Примеры отдельных интеллектуальных материалов отражены на рис. 1.




Рис. 1. Примеры «интеллектуальных»конструкционных материалов

Достигнутые в настоящее время успехи в области создания функциональных наноматериалов и «интеллектуальных» конструкционных систем, способных самоуправлять своей структурной и композиционной организацией,вселяют надежды на будущие перспективы, однако, являются только первым шагом,объединяющим функциональные конструкционные материалы с логической системой их управляемого поведения.

Важнейшим направлением такого поведения является процесс самовосстановления конструкций. К таким самовосстанавливающимся материалам относятся материалы, способные частично или полностью восстанавливать полученные повреждения, например, трещины или критические износы. В природе самовосстановление наблюдается повсеместно.

Специалистам известны различные стратегии и подходы для создания самовосстанавливающихся материалов. Такие успешные исследования проводятся применительно к металлам, керамикам и полимерам. Необходимым условием для самовосстановления повреждения, как правило, является формирование т. н. подвижной фазы, способной «затянуть» повреждение. На практике перспективные самовосстанавливающиеся материалы в зависимости от механизма инициирования и природы самовосстановления разделяются на автономные и неавтономные. Неавтономные материалы для самовосстановления требуют внешнее инициирование (например, изменение давления, температурное воздействие). Для автономных самовосстанавливающихся материалов именно повреждение является импульсом или сигналом для восстановления.

«Внешнее самовосстановление» также может быть основано на использовании внешних восстанавливающих компонентов, таких,например, как микро- и нанокапсулы, специально введенные в матрицу материала,или находящиеся в смазывающей или охлаждающей среде. К числу перспективных и достаточно проверенных на практике компонентов можно отнести мелкодисперсные(нанодисперсные) порошки активных минералов.

Наиболее изученной категорией самовосстанавливающихся материалов являются полимеры и композиты на их основе.Примером самовосстанавливающегося полимера является олигомерный термопластичный эластомер (для восстановления разлома достаточно прижать друг к другу поверхности этого разлома).

Самовосстановление металлов сегодня и в ближайшей перспективе возможно только по внешней схеме. В будущем наиболее перспективным с точки зрения самовосстановления материалом является графен.

Исключительно важной областью применения «интеллектуальных конструкционных материалов» является управление геометрией несущих плоскостей для регулирования, оптимизации или перестройки формы лопастей гребных движителей. С этой целью можно рекомендовать применение материалов с памятью формы.

Исключительную роль «интеллектуальные материалы»будут играть в подавлении структурных вибраций и подавлении воздушного шума. Адаптивные системы для подавления структурных вибраций, в перспективе, могут быть реализованы на основе применения пьезоэлектриков, контролирующих свойства жесткости и демпфирования любой виброактивной динамической системы. Аналогично подавление воздушного шума также может быть основано на использовании акустических сенсоров, регистрирующих параметры шума, набором активных пьезоэлектрических керамических элементов, расположенных на виброактивных поверхностях, которые формируют ответную реакцию, снижая низкочастотный шум.


Метаматериалы

Ещё одна очень перспективная группа конструкционных материалов и покрытий будущего– так называемые метаматериалы. Главной уникальной особенностью данного класса материалов является потенциальная возможность обеспечить отрицательный угол преломления. Такое свойство метаматериалы имеют благодаря не химическому составу, а специальной структуре. Данный эффект предсказал ещё в 1960-х гг.талантливый отечественный физик В.Г. Веселаго.

Метаматериалы – это композитные материалы,свойства которых обусловлены не столько индивидуальными физическими свойствами их компонентов, сколько микроструктурой. Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению к тем композитам, которые демонстрируют свойства,нехарактерные для объектов, встречающихся в природе.

В 1967 г. В.Г. Веселаго предсказал возможность создания суперлинзы с отрицательным коэффициентом преломления. Позже эта идея была подхвачена английским физиком Джоном Пендри, и первые «метаматериалы» с уникальными свойствами были созданы американскими учёными Дэвидом Смитом и коллегами в лаборатории Шелдона Шульца.


Рис. 2. Схема действия метаматериалов
Идея материалов-невидимок заключается в том, что маскируемый объект помещается в некую полость внутри маскировочной оболочки, и световые волны (или любая другая разновидность электромагнитного излучения), ударяясь об эту оболочку, вместо того чтобы попадать далее в размещенный внутри объект, плавно огибают его и, заново рекомбинируясь, выходят наружу.Американский физик Дэвид Смит из Университета Дьюка привел условную аналогию с речным потоком и камнем, помещенным на его пути: «Водные струи, сталкиваясь с камнем, просто растекаются вокруг него и соединяются вместе уже за ним». Используя уравнения Максвелла, описывающие электромагнитные явления в среде, Д. Пендри и его коллеги произвели необходимые теоретические расчеты физических характеристик маскировочного материала, способного соответствующим образом изменять направление электромагнитных волн. В частности, ученые пришли к выводу, что этот материал должен быть сконструирован так, чтобы скорость света на некотором удалении от полости была относительно медленной и возрастала при приближении к ней.

Исходя из этого и ряда других полученных расчетных результатов, получили, что основой маскировочных покрытий будущего,скорее всего, станут метаматериалы. Возможность метаматериалов искусственно варьировать показатель преломления в различных зонах может обеспечить нужный по теории разброс скорости света внутри маскировочной оболочки. Таким образом,электромагнитный отклик метаматериала можно «конструировать», создавая специальные, как правило, макроскопические структуры.

Варианты конструкции метаматериалов представлены на рис. 3,4.


Рис. 3. Конструкция метаматериалов

Рис. 4. Развитие технологий метаматериалов

В заключение хотелось бы ещё раз подчеркнуть мысль о том, что в настоящее время дальнейшее развитие военного кораблестроения, как и всей машиностроительной отрасли, в первую очередь определяется успехами в области создания принципиально новых конструкционных материалов. Сегодня от успехов создателей конструкционных материалов, отвечающих самым высоким современным требованиям,зависит наше технологическое будущее.
 

 
Связанные ссылки
· Больше про Материаловедение
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Материаловедение:
Уран – главный металл атомной энергетики

Рейтинг статьи
Средняя оценка: 5
Ответов: 2


Пожалуйста, проголосуйте за эту статью:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 4 Комментарии | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Перспективные конструкционные материалы. Часть II (Всего: 0)
от Гость на 21/01/2015
Респект!
Так понятно и грамотно изложено и НИ ОДНОГО РАЗА не использовано слово нанотехнологии!


[ Ответить на это ]


Re: Перспективные конструкционные материалы. Часть II (Всего: 0)
от Гость на 22/01/2015
И где это можно заказать/купить?


[ Ответить на это ]


Re: Перспективные конструкционные материалы. Часть II (Всего: 0)
от Гость на 22/01/2015
РЕСПЕКТ! - поддерживаю.Но к "сожалению" слово "нанотехнология" встречается один раз в статье. И пару раз "нано-" в других терминах.А что - "нанотехнология" уже запрещенное слово?


[ Ответить на это ]


Re: Перспективные конструкционные материалы. Часть II (Всего: 0)
от Гость на 23/01/2015
Чубайс его обгадил, а слово-то некоррупционное!


[
Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(812)438-3277
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
Сайт построен на основе технологии PHP-Nuke. Открытие страницы: 0.12 секунды
Рейтинг@Mail.ru