"วัสดุที่ไม่ใช่แบบดั้งเดิม" เป็นหนึ่งในพื้นที่ที่สำคัญที่สุดของการพัฒนาเทคโนโลยีในอุตสาหกรรมการทหารและอวกาศ วัสดุต้องทำมากกว่าแค่ทำหน้าที่เป็นโครงสร้างรองรับเท่านั้น แต่ยังต้องเป็นวัสดุที่ชาญฉลาดอีกด้วย
วัสดุอัจฉริยะเป็นวัสดุประเภทพิเศษที่มีความสามารถในการทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้นและเป็นเซ็นเซอร์ ทำให้เกิดการเสียรูปทางกลที่จำเป็นที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ กระแสไฟฟ้า หรือสนามแม่เหล็ก เนื่องจากวัสดุคอมโพสิตประกอบด้วยวัสดุมากกว่าหนึ่งชนิดและเนื่องจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่ทันสมัย ตอนนี้จึงเป็นไปได้ที่จะรวมวัสดุอื่นๆ (หรือโครงสร้าง) ไว้ในกระบวนการเพื่อให้มีฟังก์ชันการทำงานแบบบูรณาการในด้านต่างๆ เช่น:
- แปลงร่าง
- รักษาตัวเอง, - การรับรู้, - ระบบป้องกันฟ้าผ่าและ
- การจัดเก็บพลังงาน
เราจะเน้นที่สองส่วนแรกในบทความนี้
วัสดุ Morphing และโครงสร้าง morphing
วัสดุดัดแปลงรวมถึงวัสดุเหล่านั้นที่ตามสัญญาณอินพุต เปลี่ยนพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตของวัสดุ และสามารถคืนค่ารูปร่างเดิมเมื่อสัญญาณภายนอกหยุด
วัสดุเหล่านี้เนื่องจากปฏิกิริยาในรูปของการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ถูกใช้เป็นตัวกระตุ้น แต่ยังสามารถใช้ในทางตรงข้าม กล่าวคือ เป็นเซ็นเซอร์ที่อิทธิพลภายนอกที่ใช้กับวัสดุจะเปลี่ยนเป็น สัญญาณ. การใช้งานด้านอวกาศของวัสดุเหล่านี้มีความหลากหลาย: เซ็นเซอร์ แอคทูเอเตอร์ สวิตช์ในการติดตั้งและอุปกรณ์ไฟฟ้า ระบบอิเลคทรอนิคส์ และการเชื่อมต่อในระบบไฮดรอลิก ข้อดีคือ: ความน่าเชื่อถือเป็นพิเศษ อายุการใช้งานยาวนาน ไม่มีการรั่วไหล ต้นทุนการติดตั้งต่ำ และการบำรุงรักษาที่ลดลงอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในบรรดาแอคทูเอเตอร์ที่ทำจากวัสดุ morphing และโลหะผสมของหน่วยความจำรูปทรง แอคทูเอเตอร์สำหรับการควบคุมอัตโนมัติของระบบทำความเย็นแบบ avionics และแอคทูเอเตอร์สำหรับการปิด/เปิดแดมเปอร์ไกด์ในระบบปรับอากาศห้องนักบินเป็นที่สนใจเป็นพิเศษ
วัสดุที่เปลี่ยนรูปร่างอันเป็นผลมาจากการใช้สนามไฟฟ้า ได้แก่ วัสดุเพียโซอิเล็กทริก (ปรากฏการณ์โพลาไรซ์ของวัสดุที่มีโครงสร้างผลึกภายใต้การกระทำของความเค้นทางกล (ผลเพียโซอิเล็กทริกโดยตรง) และการเปลี่ยนรูปทางกลภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า (เพียโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับ)) และวัสดุไฟฟ้าสถิต ความแตกต่างอยู่ที่การตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าที่ใช้: วัสดุเพียโซอิเล็กทริกสามารถยาวขึ้นหรือสั้นลงได้ ในขณะที่วัสดุไฟฟ้าสถิตจะยืดออกเท่านั้นโดยไม่คำนึงถึงทิศทางของสนามที่ใช้ ในกรณีของเซ็นเซอร์ แรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากความเค้นทางกลจะถูกวัดและประมวลผลเพื่อให้ได้ข้อมูลเกี่ยวกับความเค้นเดียวกัน วัสดุเหล่านี้ที่มีเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเซ็นเซอร์การเร่งความเร็วและโหลด เซ็นเซอร์อะคูสติกวัสดุอื่นๆ ที่ใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับนั้นถูกใช้ในแอคทูเอเตอร์ทั้งหมด มักใช้ในระบบออปติคัลสำหรับดาวเทียมสอดแนม เนื่องจากสามารถปรับตำแหน่งของเลนส์และกระจกด้วยความแม่นยำระดับนาโนเมตร วัสดุดังกล่าวยังรวมอยู่ในโครงสร้าง morphing เพื่อเปลี่ยนแปลงลักษณะทางเรขาคณิตบางอย่างและให้คุณสมบัติเพิ่มเติมพิเศษแก่โครงสร้างเหล่านี้ โครงสร้าง morph (เรียกอีกอย่างว่าโครงสร้างอัจฉริยะหรือโครงสร้างแบบแอคทีฟ) สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงในสภาพภายนอกได้เนื่องจากการทำงานของเซ็นเซอร์ / ระบบทรานสดิวเซอร์ไฟฟ้าที่ติดตั้งอยู่ภายใน ด้วยวิธีนี้ (เนื่องจากมีไมโครโปรเซสเซอร์อย่างน้อยหนึ่งตัวและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง) การเปลี่ยนแปลงที่เหมาะสมสามารถเกิดขึ้นได้ตามข้อมูลที่มาจากเซ็นเซอร์ ทำให้โครงสร้างสามารถปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงภายนอกได้ การตรวจสอบเชิงรุกดังกล่าวไม่เพียงแต่ใช้ได้กับสัญญาณอินพุตภายนอกเท่านั้น (เช่น แรงดันทางกลหรือการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง) แต่ยังรวมถึงการเปลี่ยนแปลงลักษณะภายในด้วย (เช่น ความเสียหายหรือความล้มเหลว) ขอบเขตการใช้งานค่อนข้างกว้างและรวมถึงระบบอวกาศ เครื่องบินและเฮลิคอปเตอร์ (การควบคุมการสั่นสะเทือน เสียง การเปลี่ยนแปลงรูปร่าง การกระจายความเครียด และความเสถียรของแอโรอีลาสติก) ระบบทางทะเล (เรือและเรือดำน้ำ) ตลอดจนเทคโนโลยีการป้องกัน
หนึ่งในแนวโน้มที่จะลดการสั่นสะเทือน (การสั่นสะเทือน) ที่เกิดขึ้นในระบบโครงสร้างนั้นน่าสนใจมาก เซ็นเซอร์พิเศษ (ประกอบด้วยเซรามิกเพียโซอิเล็กทริกหลายชั้น) ถูกวางไว้ที่จุดที่มีความเครียดมากที่สุดเพื่อตรวจจับการสั่นสะท้าน หลังจากวิเคราะห์สัญญาณที่เกิดจากการสั่นสะเทือน ไมโครโปรเซสเซอร์จะส่งสัญญาณ (ตามสัดส่วนของสัญญาณที่วิเคราะห์) ไปยังแอคทูเอเตอร์ ซึ่งตอบสนองด้วยการเคลื่อนไหวที่เหมาะสมซึ่งสามารถยับยั้งการสั่นสะเทือนได้ สำนักงานเทคโนโลยีการบินประยุกต์ของกองทัพสหรัฐฯ และ NASA ได้ทำการทดสอบระบบแอคทีฟที่คล้ายกัน เพื่อลดการสั่นสะเทือนขององค์ประกอบบางอย่างของเฮลิคอปเตอร์ CH-47 รวมถึงเครื่องบินส่วนท้ายของเครื่องบินขับไล่ F-18 องค์การอาหารและยาได้เริ่มรวมวัสดุที่ใช้งานเข้ากับใบพัดของโรเตอร์เพื่อควบคุมการสั่นสะเทือนแล้ว
ในโรเตอร์หลักทั่วไป ใบมีดต้องทนแรงสั่นสะเทือนในระดับสูงที่เกิดจากการหมุนและปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องทั้งหมด ด้วยเหตุผลนี้ และเพื่อลดการสั่นสะท้านและอำนวยความสะดวกในการควบคุมโหลดที่กระทำกับใบมีด จึงมีการทดสอบใบมีดแบบแอคทีฟที่มีความสามารถในการดัดงอสูง ในการทดสอบแบบพิเศษ (เรียกว่า "วงจรบิดแบบฝัง") เมื่อมุมของการโจมตีเปลี่ยนไป ใบมีดจะบิดตลอดความยาวด้วยเส้นใยผสมแบบแอกทีฟ AFC (ไฟเบอร์เซรามิกที่ฝังอยู่ในเมทริกซ์โพลิเมอร์แบบนิ่ม) เข้าไปในโครงสร้างใบมีด เส้นใยแอคทีฟจะเรียงซ้อนกันเป็นชั้นๆ หนึ่งชั้นเหนืออีกชั้นหนึ่ง บนพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของใบมีดทำมุม 45 องศา การทำงานของเส้นใยแอกทีฟจะสร้างความเครียดแบบกระจายในเบลด ซึ่งทำให้เกิดการโค้งงอที่สอดคล้องกันตลอดทั้งเบลด ซึ่งสามารถปรับสมดุลการสั่นของวงสวิงได้ การทดสอบอื่น ("การเปิดใช้งานการแกว่งแบบไม่ต่อเนื่อง") มีลักษณะเฉพาะด้วยการใช้กลไกเพียโซอิเล็กทริก (แอคทูเอเตอร์) อย่างแพร่หลายสำหรับการควบคุมการสั่นสะเทือน: แอคทูเอเตอร์ถูกวางไว้ในโครงสร้างใบมีดเพื่อควบคุมการทำงานของตัวเบี่ยงบางตัวที่อยู่ตามขอบท้าย ดังนั้นจะเกิดปฏิกิริยาแอโรอีลาสติกซึ่งสามารถทำให้แรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากใบพัดเป็นกลางได้ โซลูชันทั้งสองได้รับการประเมินบนเฮลิคอปเตอร์ CH-47D ของจริงในการทดสอบที่เรียกว่า MiT Hower Test Sand
การพัฒนาองค์ประกอบโครงสร้าง morphing เปิดมุมมองใหม่ในการออกแบบโครงสร้างที่มีความซับซ้อนเพิ่มขึ้น ในขณะที่น้ำหนักและต้นทุนลดลงอย่างมาก ระดับการสั่นสะเทือนที่ลดลงอย่างเห็นได้ชัดหมายถึง: อายุของโครงสร้างที่เพิ่มขึ้น การตรวจสอบความสมบูรณ์ของโครงสร้างน้อยลง ความสามารถในการทำกำไรที่เพิ่มขึ้นของการออกแบบขั้นสุดท้าย เนื่องจากโครงสร้างอาจมีการสั่นสะเทือนน้อยลง ความสบายที่เพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพการบินที่ดีขึ้น และการควบคุมเสียงในเฮลิคอปเตอร์
จากข้อมูลของ NASA คาดว่าในอีก 20 ปีข้างหน้า ความต้องการระบบอากาศยานประสิทธิภาพสูงที่จะเบาลงและกะทัดรัดยิ่งขึ้นจะต้องใช้การออกแบบมอร์ฟิงอย่างกว้างขวางมากขึ้น
วัสดุรักษาตัวเอง
วัสดุที่รักษาตัวเองได้ในระดับเดียวกับวัสดุอัจฉริยะสามารถซ่อมแซมความเสียหายที่เกิดจากความเครียดทางกลหรืออิทธิพลจากภายนอกได้อย่างอิสระ ในการพัฒนาวัสดุใหม่เหล่านี้ ระบบธรรมชาติและชีวภาพ (เช่น พืช สัตว์บางชนิด ผิวหนังของมนุษย์ ฯลฯ) ถูกใช้เป็นแหล่งของแรงบันดาลใจ (อันที่จริง ในตอนแรกเรียกว่าวัสดุเทคโนโลยีชีวภาพ) ทุกวันนี้ วัสดุที่รักษาตัวเองได้นั้นมีอยู่ในวัสดุผสมขั้นสูง โพลีเมอร์ โลหะ เซรามิก สารเคลือบป้องกันการกัดกร่อนและสี มีการเน้นย้ำเป็นพิเศษในการประยุกต์ใช้ในอวกาศ (การวิจัยขนาดใหญ่กำลังดำเนินการโดย NASA และ European Space Agency) ซึ่งมีลักษณะเป็นสุญญากาศ ความแตกต่างของอุณหภูมิมาก การสั่นสะเทือนทางกล รังสีคอสมิก ตลอดจนเพื่อลดความเสียหาย เกิดจากการชนกับเศษซากอวกาศและไมโครอุกกาบาต นอกจากนี้ วัสดุที่รักษาตัวเองได้นั้นมีความจำเป็นสำหรับอุตสาหกรรมการบินและการป้องกันประเทศ คอมโพสิตโพลีเมอร์สมัยใหม่ที่ใช้ในการบินและอวกาศและการทหารมีความอ่อนไหวต่อความเสียหายที่เกิดจากกลไก เคมี ความร้อน ไฟของศัตรู หรือปัจจัยเหล่านี้ร่วมกัน เนื่องจากความเสียหายภายในวัสดุนั้นยากต่อการสังเกตและซ่อมแซม ทางออกที่ดีคือการกำจัดความเสียหายที่เกิดขึ้นในระดับนาโนและไมโคร และนำวัสดุกลับคืนสู่คุณสมบัติและสภาพเดิม เทคโนโลยีนี้ใช้ระบบที่วัสดุประกอบด้วยไมโครแคปซูลสองประเภทที่แตกต่างกัน ชนิดหนึ่งมีส่วนประกอบที่รักษาตัวเองได้ และอีกชนิดหนึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา หากวัสดุได้รับความเสียหาย ไมโครแคปซูลจะถูกทำลายและเนื้อหาในไมโครแคปซูลสามารถทำปฏิกิริยาซึ่งกันและกัน เติมความเสียหายและฟื้นฟูความสมบูรณ์ของวัสดุ ดังนั้น วัสดุเหล่านี้มีส่วนอย่างมากต่อความปลอดภัยและความทนทานของวัสดุคอมโพสิตขั้นสูงในเครื่องบินสมัยใหม่ ในขณะเดียวกันก็ขจัดความจำเป็นในการตรวจสอบเชิงรุกที่มีค่าใช้จ่ายสูง หรือการซ่อมแซมและ/หรือเปลี่ยนชิ้นส่วนภายนอก แม้จะมีลักษณะของวัสดุเหล่านี้ แต่ก็มีความจำเป็นต้องปรับปรุงความสามารถในการบำรุงรักษาของวัสดุที่ใช้โดยอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ และเสนอบทบาทนี้ท่อนาโนคาร์บอนหลายชั้นและระบบอีพ็อกซี่ วัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อนเหล่านี้จะเพิ่มความต้านทานแรงดึงและคุณสมบัติการหน่วงของวัสดุคอมโพสิต และไม่เปลี่ยนแปลงความต้านทานแรงกระแทกจากความร้อน นอกจากนี้ยังเป็นเรื่องที่น่าสนใจที่จะพัฒนาวัสดุคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์เซรามิกซึ่งเป็นองค์ประกอบเมทริกซ์ที่แปลงโมเลกุลออกซิเจนแต่ละโมเลกุล (เจาะเข้าไปในวัสดุอันเป็นผลมาจากความเสียหาย) ให้เป็นอนุภาคซิลิกอนออกซิเจนที่มีความหนืดต่ำซึ่งสามารถไหลเข้าสู่ความเสียหายได้ เพื่อให้เกิดเส้นเลือดฝอยและเติมเข้าไป NASA และ Boeing กำลังทดลองกับรอยแตกที่ซ่อมแซมตัวเองในโครงสร้างการบินและอวกาศโดยใช้เมทริกซ์ polydimethylsiloxane elastomer ที่มีไมโครแคปซูลฝังอยู่
วัสดุที่รักษาตัวเองสามารถซ่อมแซมความเสียหายได้โดยการปิดช่องว่างรอบวัตถุที่เจาะ เห็นได้ชัดว่า ความสามารถดังกล่าวกำลังได้รับการศึกษาในระดับการป้องกัน ทั้งสำหรับยานเกราะและรถถัง และสำหรับระบบป้องกันส่วนบุคคล
วัสดุที่รักษาตัวเองได้สำหรับการใช้งานทางการทหารจำเป็นต้องมีการประเมินตัวแปรที่เกี่ยวข้องกับความเสียหายตามสมมุติฐานอย่างรอบคอบในกรณีนี้ ความเสียหายจากการกระแทกขึ้นอยู่กับ:
- พลังงานจลน์เนื่องจากกระสุน (มวลและความเร็ว)
- การออกแบบระบบ (รูปทรงภายนอก วัสดุ เกราะ) และ
- การวิเคราะห์เรขาคณิตการชนกัน (มุมประชุม)
ด้วยเหตุนี้ DARPA และ US Army Laboratories จึงกำลังทดลองใช้วัสดุรักษาตัวเองขั้นสูงสุด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ฟังก์ชันการบูรณะสามารถเริ่มต้นได้โดยการเจาะทะลุของกระสุนซึ่งการกระแทกของขีปนาวุธทำให้เกิดความร้อนเฉพาะที่ของวัสดุ ทำให้สามารถซ่อมแซมตัวเองได้
การศึกษาและทดสอบกระจกที่ซ่อมแซมตัวเองได้นั้นน่าสนใจมาก ซึ่งรอยแตกที่เกิดจากการกระทำทางกลบางอย่างจะเต็มไปด้วยของเหลว กระจกรักษาตัวเองสามารถใช้ในการผลิตกระจกหน้ารถกันกระสุนของยานพาหนะทางทหาร ซึ่งจะช่วยให้ทหารสามารถรักษาทัศนวิสัยที่ดีได้ นอกจากนี้ยังสามารถค้นหาการใช้งานในด้านอื่น ๆ การบิน จอคอมพิวเตอร์ ฯลฯ
ความท้าทายหลักประการหนึ่งในอนาคตคือการยืดอายุของวัสดุขั้นสูงที่ใช้ในองค์ประกอบโครงสร้างและการเคลือบ กำลังตรวจสอบวัสดุต่อไปนี้:
- วัสดุที่รักษาตัวเองได้โดยใช้กราฟีน (วัสดุนาโนเซมิคอนดักเตอร์สองมิติประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนหนึ่งชั้น)
- อีพอกซีเรซินขั้นสูง
- วัสดุที่สัมผัสกับแสงแดด
- ไมโครแคปซูลป้องกันการกัดกร่อนสำหรับพื้นผิวโลหะ
- อีลาสโตเมอร์ที่สามารถทนต่อแรงกระแทกของกระสุนและ
ท่อนาโนคาร์บอนใช้เป็นส่วนประกอบเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุ
ขณะนี้มีการทดสอบและตรวจสอบวัสดุจำนวนมากที่มีคุณสมบัติเหล่านี้
เอาท์พุต
หลายปีที่ผ่านมา วิศวกรมักเสนอโครงการที่มีแนวโน้มตามแนวคิด แต่ไม่สามารถนำไปใช้ได้เนื่องจากวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการนำไปใช้จริงไม่ได้ วันนี้ เป้าหมายหลักคือการสร้างโครงสร้างน้ำหนักเบาพร้อมคุณสมบัติทางกลที่โดดเด่น ความก้าวหน้าในวัสดุสมัยใหม่ (วัสดุอัจฉริยะและนาโนคอมโพสิต) มีบทบาทสำคัญ แม้จะมีความซับซ้อนก็ตาม เมื่อลักษณะเด่นมักจะมีความทะเยอทะยานมากและบางครั้งก็ขัดแย้งกันเอง ในปัจจุบัน ทุกสิ่งทุกอย่างกำลังเปลี่ยนไปด้วยความเร็วแบบลานตา สำหรับวัสดุใหม่ การผลิตเพิ่งเริ่มต้น มีชิ้นต่อไปที่พวกเขาทำการทดลองและทดสอบ อุตสาหกรรมการบินและอวกาศและการป้องกันประเทศสามารถเก็บเกี่ยวผลประโยชน์มากมายจากวัสดุที่น่าอัศจรรย์เหล่านี้