"Niet-traditionele materialen" is een van de belangrijkste gebieden van technologische ontwikkeling in de militaire en ruimtevaartindustrie. Materialen moeten meer doen dan alleen als ondersteunende structuur dienen - het moeten slimme materialen zijn
Slimme materialen zijn een speciale klasse materialen die kunnen werken als een actuator en als een sensor, en zorgen voor de noodzakelijke mechanische vervormingen die gepaard gaan met veranderingen in temperatuur, elektrische stroom of magnetisch veld. Aangezien composietmaterialen uit meer dan één materiaal zijn samengesteld en dankzij moderne technologische vooruitgang, is het nu mogelijk om andere materialen (of structuren) op te nemen in het proces van geïntegreerde functionaliteit op gebieden zoals:
- Morphing, - Zelfgenezend, - Perceptie, - Bliksembeveiliging, en
- Energie opslag.
In dit artikel zullen we ons concentreren op de eerste twee gebieden.
Morphing materialen en morphing structuren
Morphing-materialen omvatten die materialen die, in navolging van de ingangssignalen, hun geometrische parameters veranderen en die in staat zijn hun oorspronkelijke vorm te herstellen wanneer externe signalen stoppen.
Deze materialen worden vanwege hun reactie in de vorm van een vormverandering gebruikt als actuatoren, maar ze kunnen ook omgekeerd worden gebruikt, namelijk als sensoren waarbij een externe invloed op het materiaal wordt omgezet in een signaal. De toepassingen van deze materialen in de ruimtevaart zijn divers: sensoren, actuatoren, schakelaars in elektrische installaties en apparaten, luchtvaartelektronica en verbindingen in hydraulische systemen. De voordelen zijn: uitzonderlijke betrouwbaarheid, lange levensduur, geen lekken, lage installatiekosten en een aanzienlijke vermindering van onderhoud. Van de actuatoren die zijn gemaakt van morphing-materialen en legeringen met vormgeheugen, zijn met name actuatoren voor automatische besturing van avionica-koelsystemen en actuatoren voor het sluiten/openen van geleidingsdempers in cockpit-airconditioningsystemen van bijzonder belang.
Materialen die van vorm veranderen als gevolg van het aanleggen van een elektrisch veld zijn onder meer piëzo-elektrische materialen (het fenomeen van polarisatie van materialen met een kristallijne structuur onder invloed van mechanische spanningen (direct piëzo-elektrisch effect) en mechanische vervormingen onder invloed van een elektrisch veld (omgekeerd piëzo-elektrisch effect)) en elektrostrictieve materialen. Het verschil zit hem in de reactie op een aangelegd elektrisch veld: een piëzo-elektrisch materiaal kan verlengen of verkorten, terwijl een elektrostrictief materiaal alleen maar verlengt, ongeacht de richting van het aangelegde veld. Bij sensoren wordt de door mechanische spanning opgewekte spanning gemeten en verwerkt om informatie over dezelfde spanning te verkrijgen. Deze materialen met direct piëzo-elektrisch effect worden veel gebruikt in versnellings- en belastingssensoren, akoestische sensoren. In alle actuatoren worden andere materialen gebruikt die gebaseerd zijn op het omgekeerde piëzo-elektrische effect; ze worden vaak gebruikt in optische systemen voor verkenningssatellieten, omdat ze de positie van lenzen en spiegels met nanometerprecisie kunnen aanpassen. De bovengenoemde materialen zijn ook opgenomen in morphing-structuren om bepaalde geometrische kenmerken te veranderen en speciale extra eigenschappen aan deze structuren te geven. Een morph-structuur (ook wel een slimme structuur of actieve structuur genoemd) is in staat om veranderingen in externe omstandigheden waar te nemen als gevolg van de werking van de sensor / het elektromechanische transducersysteem dat erin is ingebouwd. Op deze manier (door de aanwezigheid van een of meer microprocessors en vermogenselektronica) kunnen passende veranderingen worden geïnduceerd in overeenstemming met de gegevens die van de sensoren komen, waardoor de structuur zich kan aanpassen aan externe veranderingen. Een dergelijke actieve bewaking is niet alleen van toepassing op een extern ingangssignaal (bijv. mechanische druk of vormverandering), maar ook op veranderingen in interne kenmerken (bijv. beschadiging of defect). Het toepassingsgebied is vrij breed en omvat ruimtesystemen, vliegtuigen en helikopters (beheersing van trillingen, geluid, vormverandering, spanningsverdeling en aero-elastische stabiliteit), mariene systemen (schepen en onderzeeërs), evenals beschermingstechnologieën.
Een van de tendensen om trillingen (trillingen) die in constructieve systemen voorkomen te verminderen, is zeer interessant. Op de meest belaste punten worden speciale sensoren (bestaande uit meerlaags piëzo-elektrisch keramiek) geplaatst om trillingen te detecteren. Na analyse van de door trillingen geïnduceerde signalen, stuurt de microprocessor een signaal (evenredig met het geanalyseerde signaal) naar de actuator, die reageert met een passende beweging die trillingen kan onderdrukken. Het Office of Applied Aviation Technology van het Amerikaanse leger en de NASA hebben vergelijkbare actieve systemen getest om trillingen van sommige elementen van de CH-47-helikopter en de staartvlakken van de F-18-jager te verminderen. De FDA is al begonnen met het integreren van actieve materialen in rotorbladen om trillingen te beheersen.
In een conventionele hoofdrotor hebben de bladen last van hoge trillingen veroorzaakt door rotatie en alle aanverwante verschijnselen. Om deze reden, en om trillingen te verminderen en controle van de belastingen op de bladen te vergemakkelijken, werden actieve bladen met een hoge buigcapaciteit getest. In een speciaal type test (genaamd "embedded twisting circuit"), wanneer de aanvalshoek verandert, wordt het blad over de gehele lengte gedraaid dankzij de actieve vezelcomposiet AFC (elektro-keramische vezel ingebed in een zachte polymeermatrix) geïntegreerd in de bladstructuur. De actieve vezels zijn in lagen gestapeld, de ene laag boven de andere, op de boven- en onderoppervlakken van het blad onder een hoek van 45 graden. Het werk van de actieve vezels zorgt voor een verdeelde spanning in het blad, wat een overeenkomstige buiging door het hele blad veroorzaakt, die de zwaaitrilling kan compenseren. Een andere test ("activering van discrete zwaaien") wordt gekenmerkt door het wijdverbreide gebruik van piëzo-elektrische mechanismen (actuatoren) voor trillingsbeheersing: actuators worden in de bladstructuur geplaatst om de werking van sommige deflectors langs de achterrand te regelen. Er treedt dus een aero-elastische reactie op die de door de propeller opgewekte trillingen kan neutraliseren. Beide oplossingen werden geëvalueerd op een echte CH-47D-helikopter in een test genaamd MiT Hower Test Sand.
De ontwikkeling van morphing structurele elementen opent nieuwe perspectieven in het ontwerp van structuren met verhoogde complexiteit, terwijl hun gewicht en kosten aanzienlijk worden verminderd. Een duidelijke vermindering van de trillingsniveaus vertaalt zich in: een langere levensduur van de constructie, minder controles op de structurele integriteit, meer winstgevendheid van definitieve ontwerpen omdat constructies onderhevig zijn aan minder trillingen, meer comfort, verbeterde vliegprestaties en geluidsbeheersing in helikopters.
Volgens NASA wordt verwacht dat in de komende 20 jaar de behoefte aan hoogwaardige vliegtuigsystemen die lichter en compacter zullen worden, een uitgebreider gebruik van morphing-ontwerpen zal vereisen.
Zelfherstellende materialen
Zelfherstellende materialen behorende tot de klasse van slimme materialen zijn in staat om schade veroorzaakt door mechanische belasting of externe invloeden zelfstandig te herstellen. Bij de ontwikkeling van deze nieuwe materialen werden natuurlijke en biologische systemen (bijvoorbeeld planten, sommige dieren, menselijke huid, enz.) als inspiratiebron gebruikt (in het begin werden ze zelfs biotechnologische materialen genoemd). Tegenwoordig zijn zelfherstellende materialen te vinden in geavanceerde composieten, polymeren, metalen, keramiek, corrosiewerende coatings en verven. Bijzondere nadruk wordt gelegd op hun toepassing in ruimtetoepassingen (er wordt grootschalig onderzoek gedaan door NASA en het European Space Agency), die worden gekenmerkt door vacuüm, grote temperatuurverschillen, mechanische trillingen, kosmische straling, evenals om schade te verminderen veroorzaakt door botsingen met ruimtepuin en micrometeorieten. Daarnaast zijn zelfherstellende materialen essentieel voor de luchtvaart- en defensie-industrie. Moderne polymeercomposieten die worden gebruikt in ruimtevaart- en militaire toepassingen zijn gevoelig voor schade veroorzaakt door mechanisch, chemisch, thermisch vuur, vijandelijk vuur of een combinatie van deze factoren. Aangezien schade in materialen moeilijk op te merken en te repareren is, zou de ideale oplossing zijn om de schade die op nano- en microniveau is opgetreden te elimineren en het materiaal in zijn oorspronkelijke eigenschappen en staat te herstellen. De technologie is gebaseerd op een systeem waarbij het materiaal microcapsules van twee verschillende typen bevat, de ene met een zelfherstellende component en de andere met een bepaalde katalysator. Als het materiaal beschadigd is, worden de microcapsules vernietigd en kan hun inhoud met elkaar reageren, de schade opvullen en de integriteit van het materiaal herstellen. Deze materialen dragen dus in hoge mate bij aan de veiligheid en duurzaamheid van geavanceerde composieten in moderne vliegtuigen, terwijl de noodzaak voor dure actieve monitoring of externe reparatie en/of vervanging overbodig wordt. Ondanks de kenmerken van deze materialen, is er behoefte aan het verbeteren van de onderhoudbaarheid van materialen die worden gebruikt door de lucht- en ruimtevaartindustrie, en voor deze rol worden meerlagige koolstofnanobuizen en epoxysystemen voorgesteld. Deze corrosiebestendige materialen verhogen de treksterkte en dempende eigenschappen van de composieten en veranderen de thermische schokbestendigheid niet. Ook is het interessant om een composietmateriaal te ontwikkelen met een keramische matrix - een matrixsamenstelling die elk zuurstofmolecuul (dat door beschadiging in het materiaal is gepenetreerd) omzet in een silicium-zuurstofdeeltje met een lage viscositeit, dat in schade kan vloeien door tot het capillaire effect en vul ze. NASA en Boeing experimenteren met zelfherstellende scheuren in ruimtevaartstructuren met behulp van een polydimethylsiloxaanelastomeermatrix met ingebedde microcapsules.
Zelfherstellende materialen zijn in staat schade te herstellen door de opening rond het gestanste object te dichten. Het is duidelijk dat dergelijke capaciteiten op defensieniveau worden bestudeerd, zowel voor het bepantseren van voertuigen en tanks als voor persoonlijke beschermingssystemen.
Zelfherstellende materialen voor militaire toepassingen vereisen een zorgvuldige evaluatie van de variabelen die verband houden met hypothetische schade. In dit geval is de impactschade afhankelijk van:
- kinetische energie door de kogel (massa en snelheid), - systeemontwerpen (externe geometrie, materialen, bepantsering), en
- analyse van botsingsgeometrie (ontmoetingshoek).
Met dit in gedachten experimenteren DARPA en de US Army Laboratories met de meest geavanceerde zelfherstellende materialen. In het bijzonder kunnen herstellende functies worden geïnitieerd door kogelpenetratie waarbij de ballistische impact lokale verwarming van het materiaal veroorzaakt, waardoor zelfgenezing mogelijk wordt.
Studies en tests van zelfherstellend glas zijn erg interessant, waarbij scheuren veroorzaakt door een mechanische actie worden gevuld met vloeistof. Zelfherstellend glas kan worden gebruikt bij de vervaardiging van kogelvrije voorruiten van militaire voertuigen, waardoor soldaten goed zicht kunnen behouden. Het kan ook worden toegepast op andere gebieden, luchtvaart, computerschermen, enz.
Een van de toekomstige grote uitdagingen is het verlengen van de levensduur van geavanceerde materialen die worden gebruikt in structurele elementen en coatings. De volgende materialen worden onderzocht:
- zelfherstellende materialen op basis van grafeen (tweedimensionaal halfgeleider nanomateriaal bestaande uit één laag koolstofatomen), - geavanceerde epoxyharsen, - materialen blootgesteld aan zonlicht, - anti-corrosie microcapsules voor metalen oppervlakken, - elastomeren die bestand zijn tegen kogelinslagen, en
koolstofnanobuisjes gebruikt als een extra component om de materiaalprestaties te verbeteren.
Een aanzienlijk aantal materialen met deze eigenschappen wordt momenteel getest en experimenteel onderzocht.
Uitgang:
Gedurende vele jaren stelden ingenieurs vaak conceptueel veelbelovende projecten voor, maar konden ze deze niet implementeren vanwege de ontoegankelijkheid van geschikte materialen voor hun praktische implementatie. Tegenwoordig is het belangrijkste doel het creëren van lichtgewicht constructies met uitstekende mechanische eigenschappen. Moderne vooruitgang in moderne materialen (slimme materialen en nanocomposieten) speelt een sleutelrol, ondanks alle complexiteit, wanneer de kenmerken vaak erg ambitieus en soms zelfs tegenstrijdig zijn. Op dit moment verandert alles met een caleidoscopische snelheid, voor een nieuw materiaal, waarvan de productie net begint, is er een volgende, waarop ze experimenten uitvoeren en testen. De lucht- en ruimtevaart- en defensie-industrie kunnen veel profiteren van deze geweldige materialen.
