Знак Вопроса 1997 № 04 - страница 58

«Умными» материалами называют обычные металлы, керамику или композиты, в которые внедрены датчики, возбудители, специальные химические вещества, позволяющие изменять форму, физическое состояние или механические характеристики материала в процессе эксплуатации без воздействия движущихся частей.

В космической технике разрабатываются проекты построения в космосе пространственных конструкций, антенн, ферм, платформ и т. д., которые доставляют на орбиту в сложенном (свернутом) состоянии; а затем по команде включается теплоноситель, который нагревает свернутую конструкцию, и она, распрямляясь, обретает форму, приданную ей на Земле. В дальнейшем полете эта конструкция обладает необходимой прочностью и жесткостью и не требует никаких дополнительных источников энергии для поддержания ее в заданном состоянии. Чем не сказочный терем, построенный «по щучьему велению».

Умные материалы позволяют создавать адаптирующиеся конструкции, которые могут воспринимать изменения окружающих условий и реагировать на них. Уже созданы «умные» системы подвески в автомобилях, позволяющие гасить вибрации. Идет работа над «умными» металлами, снабженными встроенными датчиками, которые будут вовремя предупреждать инженеров об опасности разрушения формы моста. ВВС США финансируют работы над несущим винтом вертолета, который может адаптироваться к среде: воспринимая степень турбулентности воздушного потока, он в ответ увеличивает свою жесткость. Достигается это с помощью семейства электро-реологических жидкостей, которые после пропускания слабого электрического тока переходят из жидкого состояния в твердое. Насыщая частичками этих жидкостей материал винта, можно гасить вибрации, которые возникают в винте. Датчики, расположенные на поверхности винта, реагируют на появление опасных завихрений и посылают сигнал, под воздействием которого частицы электро-реологических жидкостей переходят в твердое состояние, в результате чего увеличивается жесткость лопастей винта.

Военные ведомства США финансируют также работы по созданию «умной» керамики, предназначенной для носка крыла самолета. Такой носок будет сам подгонять свою форму в изменяющихся полетных условиях, дабы в любой момент достигалась максимальная подъемная сила, а в итоге улучшался коэффициент полезного действия по топливу и повышалась безопасность полета.

Под руководством профессора Ньюихэма в университете штата Пенсильвания (США) разрабатывается материал, предназначенный для того, чтобы сделать корпуса подводных лодок невидимыми для гидролокаторов. Материал в процессе движения лодки будет изгибаться и менять форму корпуса таким образом, чтобы уменьшить турбулентность водных потоков, обтекающих лодку. Без этих завихрений лодку невозможно обнаружить гидролокаторами противника. Крейг Родмерс, директор Центра систем и структур из «умных» материалов при Вирджинском политехническом институте (США) предложил использовать проволоку из сплава никель-титана (нитинол) в углепластиковых композитах. Обычные эпоксидные смолы, используемые в качестве связующего в композите при температуре выше 150 °C теряют половину своей жесткости, что является существенным сдерживающим фактором при использовании композитов в крыле современного сверхзвукового самолета. По мнению Роджерса, если в углепластик ввести волокна материала с памятью, то при возрастании температуры его прочность будет увеличиваться. Нагреваясь в процессе полета, волокна стремятся вернуться к той форме, которую они запомнили. Это сообщает материалу добавочную упрочняющую энергию. При высоких температурах жесткость нового композита более чем в 10 раз превосходит жесткость материалов, применяемых сегодня в авиастроении.

Эта же идея использования нитей из сплавов с ЭПФ в композиции со стекло- и органопластиками положена в основу мероприятий, направленных на повышение боевой живучести авиационных конструкций, т. е. стойкости этих конструкций к боевым повреждениям от попавших снарядов или попадания осколков при взрыве боевых частей ракет. При действии кратковременной динамической нагрузки, которая определяет процесс пробивания или разрушения материала при взрыве, начальная кинетическая энергия ударной волны или осколков переходит в работу упругой и особенно пластической деформации материала. Чем больше требуется затратить энергии на преодоление работы по деформированию материала, тем, естественно, труднее его разрушить (пробить). Нитинол, например, обладает 10 % относительной деформацией при растяжении. (Заметим, что у традиционных материалов и композитов она не превышает 2 %.) Поэтому добавление нитей нитинола в композитный материал повышает стойкость последнего к пробиванию. Новый материал предполагается использовать для защиты самолетов от последствий взрывов в трюмах (например, при террористических актах), столкновений с птицами, ударов камней при посадке на взлетно-посадочную полосу, а также в автомобилестроении.