Интеллектуальные композиты
1.3. Интеллектуальные композиты
В конце ХХ века японскими специалистами была выдвинута концепция интеллектуальных материалов. Пока она носит более философский, нежели прикладной характер, но позволяет оценить перспективные направления развития композитов.
Материал называется интеллектуальным, если он способен к самодиагностированию и самоадаптации. Этот материал должен уметь распознавать возникающую ситуацию (сенсорная функция), анализировать ее и принимать решение (процессорная функция) и осуществлять необходимую реакцию (исполнительная функция).
В настоящее время нет материалов, которые реализуют все эти функции. В то же время наличие отдельных функций просматривается и у существующих материалов. Например, для полимерных материалов типа полиолефинов (полиэтилен, полипропилен) характерно изменение цвета в месте, где напряжения близки к предельным или превосходят их (материал за счет возникновения микротрещин меняет свою прозрачность или цвет, например, в месте изгиба линейки, изготовленной из него). Эту особенность легко усилить, если наполнить полимер, например, полыми стеклянными шариками, содержащими краситель. При определенном уровне напряжений в материале шарики будут разрушаться, а материал в соответствующей зоне будет окрашиваться.
Такой способ диагностики предполагает регулярный осмотр изделия и не всегда удобен. Поэтому одним из путей развития этого направления является создание таких сенсорных способностей, при которых разрушение или состояние предразрушения превращалось непосредственно в электрические сигналы. Желательно, чтобы сенсорные элементы входили в состав материала и не снижали его физико-механические свойства. В этом отношении перспективны материалы, в состав которых входят токопроводящие волокна (металлический проводник в стеклянной оболочке, угольные проводящие нити и т.д.). При нагрузках происходит либо разрыв отдельных нитей, либо их деформация, порождающая тензометрический отклик. В том и другом случае меняется электропроводимость материала, что легко регистрируется.
В лекции "3.1 Основные итерационные методы" также много полезной информации.
Предлагаются к использованию и пьезоэлектрические пленки, в которых возникает разность электрических потенциалов в зависимости от уровня деформирования.
Для определения зон разрушения в композитах используется метод акустической эмиссии. Известны две разновидности метода: 1) отслеживается акустический сигнал при нагружении изделия, и резкое изменение уровня сигнала свидетельствует о начале разрушения; 2) возбуждается калиброванный сигнал, наличие дефектов отслеживается по характеру изменения сигнала в окрестности этих дефектов.
Вязкоупругие свойства композитов контролируются также с помощью акустических методов. Для этого фиксируется зависимость между скоростью звука и коэффициентом его поглощения.
Адаптационные (исполнительные) механизмы основаны на деформации материала вследствие нагрева, подачи электрического сигнала и т.д. Для этого используются такие явления, как пьезоэффект, магнитострикция, эффект памяти формы.
Интеллектуальные материалы – дело будущего, но уже сейчас проводятся интенсивные научно-исследовательские работы по применению таких материалов в самолето- и ракетостроении, в средствах массовых коммуникаций. Примером использования таких материалов являются лопасти ветряных мельниц – их диаметр достигает 100 м и может даже превышать этот размер. Оптические волокна в составе материала позволяют следить за структурной целостностью лопасти и оценивать нагрузки, действующие на них.
