Понятие интеллектуальных материалов и технологий

Идея создания интеллектуальных материалов, обладающих способностью самостоятельно диагностировать свое состояние, принадлежит японскому профессору Тошинори Такаги, который первым предложил проектировать конструкции, которые обладали бы свойствами нейрона в живом организме [6]. Для практической реализации этой идеи необходимо было первоначально найти элементы, которые характеризовались бы высокой чувствительностью к механическому состоянию конструкции.

Большой вклад в развитие интеллектуальных материалов и конструкций внесли русские ученые С.П. Губин, А.И. Гусев, Ю.И. Петров, А.А. Ремпель, А.С. Розенберг, Г.Б. Сергеев, И.П. Суздалев, Ю.Д. Третьяков и многие другие [24-25; 67].

Некоторые авторы полагают [7; 20; 69], что материал является интеллектуальным, если он способен получать информацию и реагировать на изменение внешних или внутренних условий. Способность материалов получать информацию и реагировать аналогична способности живых организмов чувствовать и двигаться.

В общем виде интеллектуальный материал можно представить, как материал с четырьмя встроенными функциями (рис. 1.1): процессорной, сенсорной, исполнительной и восстановительной.

Схематичное изображение структуры интеллектуального

Рис. 1.1. Схематичное изображение структуры интеллектуального

материала

По оценкам многих экспертов, в ближайшем будущем создание интеллектуальных материалов будет осуществляться по пути проектирования интеллектуальных конструкций, которые разделяют на три группы [6].

  • • Интеллектуальные конструкции I типа (пассивные), которые могут диагностировать свое состояние в процессе эксплуатации.
  • • Интеллектуальные конструкции II типа (активные), способные не только диагностировать свое напряженно-деформированное состояние, но и подстраиваться под изменение внешних условий, в том числе и путем изменения формы и свойств. Такие конструкции обладают способностью обнаруживать появление неисправностей (повреждений) и принимать меры для устранения или смягчения их последствий.
  • • Интеллектуальные конструкции III типа, способные к обучению и изменяющие свою реакцию в зависимости от приобретенного опыта.

Перечисленные выше виды конструкций можно реализовать путем внедрения чувствительных элементов или силовых приводов в материалы.

К группе пассивных интеллектуальных конструкций (I типа) относится достаточно большая группа конструкций, при изготовлении которых использованы материалы, обладающие рядом специальных свойств. В качестве одного из наиболее простых примеров можно привести широко распространенные огнезащитные материалы [38].

Эти материалы способны в процессе своей эксплуатации при возникновении специальных условий (в данном случае огня) резко изменять свои свойства и превращаться из обычных, казалось бы, декоративных лакокрасочных покрытий в «вспучивающиеся». Эти материалы были специально разработаны для огнезащиты, поскольку они не только трудновоспламенимы и обладают способностью к самозатуханию, но и препятствуют распространению горения в открытом пламени. Интеллектуальная составляющая этих материалов состоит в том, что под действием огня происходит самопроизвольное увеличение их толщины с образованием прочного и пористого углеродного каркаса, который выполняет роль тепловой изоляции и сам не выделяет токсичных веществ.

Другим примером простейшего интеллектуального материала на основе полимерных композитов является термодеформируемые инверси- рующие (т.е. самопроизвольно восстанавливающиеся) угле- и стеклопластики [7]. Эти материалы при определенных температурных условиях обладают способностью к полному восстановлению формы.

Этот эффект - инверсирование высокоэластической деформации угле- и стеклопластиков - позволил по-новому решить ряд сложных инженерно-технологических проблем (футеровка труб среднего и большого диаметра, бестраншейный ремонт, восстановление магистральных продуктопроводов и др.).

Таких примеров можно привести еще очень много, и все они иллюстрируют широчайшие возможности даже самых простейших интеллектуальных конструкций.

В результате создания «интеллектуальных» материалов в материаловедении появились понятия «обучаемости» материалов и «ощущения» ими предельных ситуаций.

Для «интеллектуального» поведения материал должен иметь нелинейно изменяющиеся свойства. «Интеллектуальность» материалов основывается на:

  • • контроле основных функций;
  • • оптимизации свойств путем обучения;
  • • наличии в них датчиков, контролирующих изменение факторов окружающей среды;
  • • способности материалов анализировать ситуацию, возникшую в результате изменения окружающей среды;
  • • способности реагировать на результаты собственного анализа окружающей среды.

Интеллектуальная система должна разрабатываться с учетом всех особенностей ее функционирования. Можно выделить несколько основных этапов создания интеллектуальной системы.

  • 1. Выбор подходящих датчиков. При необходимости можно использовать сочетание различных датчиков.
  • 2. Расчет оптимального количества датчиков и определение способа их размещения.
  • 3. Определение способа и регулярности снятия показаний.
  • 4. Разработка алгоритма обработки информации. Система должна иметь обратную связь.

В авиастроении в последние годы разрабатываются материалы с сенсорными функциями, которые получили название «информкомпозиты» [17]. Основное внимание направлено на разработку материалов двух типов. Первый тип - это силовые обшивки летательных аппаратов, которые кроме своих традиционных функций осуществляют самоконтроль над возникновением и развитием усталостных трещин. Второй тип - обшивки со встроенной комформной электроникой. Такая обшивка представляет собой совокупность самых разнообразных электронных устройств, осуществляющих функции приема, обработки и передачи информации в различных частотных диапазонах. Способность к самодиагностике в таких материалах существенным образом зависит от геометрических размеров конструкции, силового набора и схемы расположения сенсорных элементов. Например, обшивка некоторых военных самолетов (СУ-47, СУ-35), выполненная из интеллектуальных композиционных материалов, позволяет значительно снизить уровень радиолокационного обнаружения противником. Также использование современных интеллектуальных материалов позволяет создать самолеты с аэроактивными крыльями, способными изменять свою форму в зависимости от условий полета.

Современные интеллектуальные материалы не только способны анализировать уровень воздействия внешних факторов, но и адаптироваться к их изменению. При создании таких материалов в их структуру помимо датчиков встраиваются и актюаторы, которые вносят в структуру материала изменения на основе сигналов, полученных от датчиков. Такое поведение «интеллектуальных» материалов достигается, например, использованием в их составе металлических волокон или лент с памятью формы, способных к обратимому изменению первоначальной формы и размеров за счет термоупругого мартенситного превращения. Также в качестве актюаторов могут быть использованы полимерные материалы, изменяющие свой объем под воздействием электрического напряжения, и материалы, способные преобразовывать электрическую энергию в механическую, и наоборот.

С помощью интеллектуальных конструкций возможно отслеживать повреждения системы, т.е. проводить ее диагностирование [6]. Также с помощью создания интеллектуальных конструкций могут быть разработаны принципиально новые типы машин. Однако при проектировании и расчете таких конструкций сталкиваются с рядом проблем, которые до конца к настоящему времени не решены. Это в первую очередь технологические вопросы, связанные с размещением сенсоров внутри конструкции. Другая группа нерешенных задач относится к вопросам прочности самих конструкций при многократном генерировании сенсорами сигналов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >