Библиографическое описание:

Бруданов А. М. Практическое применение smart-материалов и smart-конструкций // Молодой ученый. — 2015. — №24. — С. 101-104.

 

Для реализации концепции smart-структур в самой простой форме наилучшим образом подходят основные материалы композитов, в которые при их изготовлении могут быть внедрены соответствующие датчики или актуаторы. Рассмотрим основные структурные элементы smart-материалов.

Датчики или сенсоры

Smart-структуры, имеющие в своем составе только датчики, называются пассивными. Встраивание датчиков внутрь при изготовлении композитного материала делает возможным наблюдение за внутренним состоянием материала, поэтому успешное развитие пассивных smart-структур зависит:

                    от разработки и настройки пригодных датчиков;

                    принципов работы датчиков и методов обработки сигналов;

                    выбора подходящей схемы производства, позволяющей без больших затруднений встраивать датчики.

В настоящее время особое внимание исследователей сконцентрировано на двух типах материалов, которые наиболее удобны для встраивания в интеллектуальные системы в качестве датчиков или сенсоров, это оптические волокна и пьезоэлектрические материалы.

Датчики, основанные на волоконной оптике, могут измерять магнитные поля, деформации, вибрации и ускорение, хорошо вписываются в процесс изготовления композитного материала; способны выдерживать деформации, сравнимые с размером самого композита; обладают малыми размерами, легким весом и просты в изготовлении; невосприимчивы к электромагнитной интерференции и в жестких условиях превосходят по чувствительности другие датчики. Оптоволоконные датчики также могут быть легко интегрированы с другим оборудованием для удаленного контроля и позволяют проводить наблюдения за структурой композита в течение всех стадий его существования: изготовления, тестирования и эксплуатации; стойки к агрессивной окружающей среде и нечувствительны к электрическому и магнитному шуму; имеют широкую полосу частот отклика.

Оптоволоконные датчики хорошо себя зарекомендовали как при полном встраивании в материал, так и при внешнем закреплении. Встраивание оптического волокна влечет за собой необходимость внесения изменений в технологический процесс изготовления композитных материалов для того, чтобы расположить датчики строго в требуемых местах и быть уверенными, что сигналы от них могут быть введены и выведены через проводники. Для того чтобы быть пригодным к использованию, волоконный датчик должен:

                    вызывать минимальные отклонения от заданного распределения упрочняющих волокон в композитном материале;

                    по возможности не снижать механические свойства композита;

                    не допускать чрезмерного ослабления сигнала и не разрушаться в процессе встраивания, иначе будет невозможно провести необходимые измерения;

                    иметь подходящие средства для ввода и вывода лазерного света в систему через проводники.

Широкое применение пьезоэлектриков в качестве датчиков обеспечили их достоинства:

                    широкая полоса частот;

                    возможность использования очень тонких слоев пьезоэлектрика при закреплении их на поверхности или при встраивании внутрь материала (композита);

                    отсутствие запаздывания регулирующего воздействия;

                    механическая простота.

В последнее время чаще всего в качестве датчиков вместо пьезокерамики применяются пьезоэлектрические полимеры, такие как флуорид винилидена (polyvinylidene fluoride — PVDF), которые могут быть закреплены на поверхностях любых типов и любой, даже сильно искривленной, геометрии. Такие датчики способны повторять возможности человеческой кожи, определяя геометрические характеристики, такие как края и углы, температуру или различая разные материалы. Так, чувствительность полосок PVDF является достаточно высокой для того, чтобы различать шрифт в книгах для слепых и сорта наждачной бумаги.

Актуаторы (исполнительные механизмы)

Для изготовления управляемых или реагирующих smart-структур (то есть активных или активно-пассивных) необходимы актуаторы или исполнительные механизмы, которые способны вызывать деформацию конструкции, опираясь на полученную от датчиков информацию, описывающую физическое состояние системы.

В настоящее время в качестве актуаторов применяют:

                    сплавы с памятью формы;

                    пьезоэлектрические материалы;

                    электрострикционные материалы;

                    магнитострикционные материалы;

                    электрореологические жидкости.

Несмотря на кажущуюся фантастичность, smart-системы (материалы или конструкции) уже нашли применение в реальной жизни, причем неожиданно многочисленное и разнообразное. Например, это простые пьезоэлектрические громкоговорители, механизмы извлечения карт для переносных компьютеров, механизмы позиционирования окуляра на сканирующих микроскопах, самозатемняющиеся автомобильные стекла, автофокусирующиеся моторы для камер, домашний спортивный инвентарь с электрорегулируемым сопротивлением, саморазворачивающиеся устройства для поддержания коронарных сосудов в открытом состоянии после ангиопластики, медицинская аппаратура формирования изображения и т. д.

Конструкции, основанные на применении smart-технологий, начинают находить применение в качестве средств уменьшения шума в кабинах вертолетов и самолетов, в промышленных нагнетателях воздуха, холодильниках и вентиляторах, для звукопоглощения при выхлопах в дизельных двигателях и в кабинах грузовиков; для демпфирования вибраций двигателей, в полуавтоматических автомобильных подвесках, радарных системах избегания столкновений и в системах безопасности, на ответственных производствах или платформах с телекамерами, для подавления вибрации дисководов в компьютерах, лопаток турбомашин и эха от подводной лодки, для контроля формы и демпфирования колебаний космических конструкций, телескопов и т. д. Список можно продолжить, но и этого достаточно, чтобы показать всю широту возможного применения smart-конструкций.

Одним из факторов, которые ограничивают дальнейшее применение композитных материалов, является их относительно высокая восприимчивость к повреждению и, следовательно, проблемы безопасности и обслуживания. Различные типы повреждений материалов, к которым склонны композиты, включают в себя расслаивание, разрыв волокна, поглощение жидкости, ударные повреждения, разрушение матрицы, снижение прочности и жесткости при повышенных температурах, концентрацию напряжений. Таким образом, композитные материалы должны осматриваться или проверяться для обнаружения малых повреждений прежде, чем они станут катастрофическими для конструкции из-за возрастания их количества и, в результате, соединения с другими поврежденными участками.

Эти проблемы можно решить путем применения smart-материалов для мониторинга конструкций в процессе их эксплуатации, так как они могут предоставить информацию, поступающую от системы датчиков, расположенных по месту измерения, в режиме реального времени, образуя пять уровней диагноза:

1)                 обнаружение существования повреждения;

2)                 определение местоположения повреждения;

3)                 оценка величины повреждения;

4)                 обеспечение частичного саморемонта повреждения;

5)                 определение эксплуатационного ресурса конструкции.

В методиках неразрушающих оценок наличия повреждений конструкции в качестве актуаторов и сенсоров эффективно применяется пьезокерамика (PZT). По этой методике PZT-заплатка, выполняющая роль актуатора-сенсора, присоединяется к конструкции. Измерением электрического сопротивления, связанного с механическим состоянием рассматриваемой конструкции, может быть обнаружено изменение в свойствах объекта, вызванные повреждением. Преимущество этой техники состоит в том, что она может осуществлять непрерывный контроль on-line; PZT-заплатка является очень легкой и достаточно малой, чтобы осуществлять контроль в недоступных местах. Эта методика была успешно проверена на таких конструкциях, как фермы, сложные укрепления стен, железобетонные мосты (рис. 3) трубопроводы и болтовые соединения в конструкциях.

smart_bridge

Рис. 3. Схема интеллектуального моста

 

Очень привлекательной выглядит идея частично излечивающей себя конструкции при малых повреждениях активацией растягивающейся арматуры (проводками), выпуском (выдавливанием) клея или другими путями, пока еще реализованная в единичных, в основном лабораторных, приложениях.

Самовосстанавливающиеся конструкции обладают лучшими эксплуатационными свойствами и более продолжительной работоспособностью по сравнению с обычными системами. Большая часть этих систем при появлении повреждения в ответ сразу же приступают к ремонту без внешней координации данного процесса.

Хорошо спроектированная система может обрабатывать широкий диапазон рабочих условий, типичных повреждений и обладает способностью заблаговременного уведомления о критических повреждениях или при угрозе разрушения. Однако такого рода подход имеет целый ряд недостатков:

                    применяющаяся сенсорная система опирается на предсказуемость результатов, что является само по себе ограничивающим фактором во всем, кроме космической техники;

                    реализованный подход самовосстановления с помощью термопластичных материалов ограничен в практическом применении, так как при работе по восстановлению целостности материала временно ослабляется конструкция, кроме этого, требуется такая геометрия элементов конструкций, чтобы материал мог легко поступить в поврежденные участки;

                    недостаточное развитие алгоритмов обнаружения поврежденности: ранее существовавшее повреждение может поставить под угрозу базовые значения для системы мониторинга, снижает эффективность работы алгоритмов обнаружения повреждений;

                    зависимость от времени алгоритмов обнаружения поврежденности; медленно растущие повреждения, такие как усталость, в настоящее время пока остаются незамеченными, так как применяемые методы основываются на довольно быстром отклонении отслеживаемой кривой состояния конструкции из-за повреждения (это аналогично различию между острыми и хроническими заболеваниями или болью в биологических системах).

Еще одним нерешенным вопросом является масштабируемость. В больших масштабах количество информации, поступающей от сети сенсоров, может стать настолько громоздким, что потребуется специальное управление самовосстановлением конструкции. Биологическим системам удалось справиться с этой проблемой путем добавления уровней иерархии системы через промежуточные узлы фильтрации и делегированием различных функций, каждая из которых может быть применена к инженерным системам.

Применение smart-материалов все расширяется, и в настоящее время их можно встретить даже в бытовых приложениях. Для нового поколения лыжных трамплинов, теннисных ракеток, сноубордов, клюшек для гольфа и бейсбольных бит, становится важным демпфирование возникающих колебаний, так как это не только увеличивает комфорт при их использовании, позволяет достигать лучших результатов, но и предотвращает от поломок.

Развитие smart-конструкций и smart-материалов, несомненно, становится одной из важнейших задач во многих областях науки и технологий, таких как микроэлектроника, информатика, медицина, науки о жизни, энергетика, транспорт, техника безопасности и военные технологии.

По своей сути технология smart-материалов и конструкций является весьма междисциплинарной областью, охватывающей фундаментальные науки — физику, химию, механику, компьютерную технику и электронику, и прикладные отрасли науки и техники, такие как аэронавтика и машиностроение. Именно этим можно объяснить довольно медленный и осторожный прогресс в применении интеллектуальных конструкций на практике, несмотря на то, что научные разработки в этой области продвигаются очень быстро.

За немногими исключениями, рынок smart-материалов и их технологий относительно молод и остается плохо изученным. Большинство современных применений весьма просты или являются производными друг от друга. Но эти материалы найдут более сложное применение, новые реализации и приобретут массовость тогда, когда технологии будут достаточно разработаны, а для поставщиков и пользователей эти материалы станут обычными.

Smart-конструкции будут развиваться, постепенно стирая различия между искусственными технологиями и природой, между живым и неживым. Самообучаемые оборудование и программное обеспечение будут производить необходимые и желаемые собственные аппаратные средства и программное обеспечение.

 

Литература:

 

  1.                Матвеенко В. П., Клигман Е. П., Юрлов М. А., Юрлова Н. А.//Моделирование и оптимизация динамических характеристик smart-структур с пьезоматериалами.: Физическая мезомеханика № 1/2012г −107 с.
  2.                Матвеенко В. П., Клигман Е. П., Юрлов М. А., Юрлова Н. А.//Управление динамическими характеристиками, контроль формоизменения и вибраций smart-структур с пьезоматериалами.: Вестник нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского № 4–5/2011г −102 с.
  3.                Матвеенко В. П., Клигман Е. П., Юрлов М. А., Юрлова Н. А.//Управление динамическими свойствами механических систем, выполненных из Smart-материалов на основе пьезоэлектриков.: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика № 9/2001г −97 с.
  4.                Юрлова Н. А. //Умные материалы и конструкции: фантастика или реальность? Вестник Пермского научного центра УрО РАН. № 2/2013г. — с.33–48.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle