Materiał inteligentny do zastosowania w strukturach lotniczych

Transkrypt

1 SKALSKI Paweł 1 Materiał inteligentny do zastosowania w strukturach lotniczych WSTĘP Na rozwój cywilizacji przyczynił się coraz większy wzrost zainteresowania właściwościami powszechnie stosowanych materiałów. W latach 80. XX wieku zaczęto rozwijać nową ich grupę, zwaną materiałami inteligentnymi. Naukowcy twierdzą, że nasza przyszłość jest ściśle związana z tymi materiałami. Grupa ta stanowi podstawę nowoczesnych rozwiązań technicznych [3]. Spotyka się zróżnicowane nazewnictwo opisywanych materiałów. Są to takie nazwy jak: intelligent materials, smart materials, adaptive materials, a nawet multifunctional materials. Niektórzy wprowadzają rozróżnienie między smart i intelligent materials. Zgodnie z tym podziałem, materiał inteligentny to taki, który jest zdolny do reagowania na bodźce zewnętrzne przez istotną zmianę swych właściwości dla pożądanego i skutecznego odpowiedzenia na te bodźce. Materiał inteligentny powinien spełniać funkcję czujnika, procesora i aktuatora, a jednocześnie właściwości te powinny wykazywać cechy sprzężenia zwrotnego. Materiał smart natomiast, ogranicza się do uzyskania efektu zmiany właściwości pod wpływem działania bodźców zewnętrznych w sposób przewidywalny. Ważne jest uzyskanie efektów w czasie rzeczywistym lub w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Z przeglądu literatury można jednak wnioskować, że większość autorów traktuje nazwy smart i intelligent jako synonimy. Nie istnieje aktualnie jedna obowiązująca definicja materiałów inteligentnych [5]. Lotnictwo jest gałęzią przemysłu gdzie stosowne są najnowsze i najbardziej zaawansowane materiały i technologie. Zastosowanie konstrukcji inteligentnych niewątpliwie dostarcza korzyści przemysłowi lotniczemu. Zwiększenie komfortu pasażerów i załogi przez redukcję drgań i hałasu, wzrost systemów i elementów życia strukturalnego, poprawa precyzyjnego wskazywania i wykrywania na pokładzie czujników elektrooptycznych i podczerwieni są to korzyści wynikające m.in. z zastosowania innowacyjnych struktur inteligentnych. Od konstrukcji zawierających w swojej budowie materiały inteligentne oczekuje się możliwości monitorowania stanu konstrukcji, uszkodzeń oraz samonaprawy. Zastosowanie konstrukcji inteligentnych w lotnictwie można podzielić na cztery odrębne obszary: monitorowanie materiałów kompozytowych, tłumienie drgań strukturalnych, tłumienie hałasu, kontrola przekształcania powierzchni. Materiały kompozytowe są obecnie szeroko stosowane. Oferują one duże korzyści porównywalne do stopów metali, takie jak zmniejszenie wagi, zwiększenie mocy i lepszą odporność na korozję. Jednak materiały kompozytowe różnie reagują na obciążenia i drgania. Pęknięcie komponentu metalowego jest stopniowe i przewidywalne, podczas gdy materiały kompozytowe cierpią na wyraźne urazy wskutek przypadkowych uszkodzeń o nieprzewidzianym i przypadkowym charakterze. Skrzydło samolotu jest jednym z najważniejszych elementów konstrukcyjnych samolotu, na które działają podczas lotu duże siły i jego poprawne działanie umożliwia zwiększenie komfortu, prędkości, bezpieczeństwa i niezawodności. Przykładem materiału typu smart stosowanym w konstrukcji statków powietrznych są przewody wykonane ze stopów z pamięcią kształtu. Materiał ten powoduje zmianę kształtu ruchomej końcówki skrzydła, która dostosowuje się do warunków panujących podczas lotu. Stopy z pamięcią kształtu znajdują także zastosowanie w śmigłowcach. Montowane są w łopatach wirników i mają za zadanie zmniejszyć niewyważenie wirników, jednak zmiana ich położenia jest pasywna. Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu ma spowodować aktywną zmianę, a przez to zwiększenie komfortu i bezpieczeństwa lotu. 1 Instytut Lotnictwa, Centrum Nowych Technologii; Warszawa; Al. Krakowska 110/114. Tel.: ; pawel.skalski@ilot.edu.pl. 9577

2 W celu rozwoju konstrukcji lotniczych niezbędne staje się zastosowanie powszechnie stosowanych bądź nowych materiałów inteligentnych. Autor pracy przedstawia elastomer magnetoreologiczny, który ma dużą szansę na zastosowanie w lotnictwie, a także w innych gałęziach przemysłu. 1 OBECNIE STOSOWANE MATERIAŁY INTELIGENTNE Materiały inteligentne to specyficzna grupa materiałów charakteryzująca się specyficznymi właściwościami. Poniżej opisane zostały właściwości wybranych rodzajów tej grupy materiałów. Materiały elektrostrykcyjne Są to materiały, które odkształcają się pod wpływem pola elektrycznego i cechy tego odkształcenia są analogiczne do tych z jakimi mamy do czynienia w materiałach magnetostrykcyjnych. Z elektrostrykcją mamy do czynienia, gdy odkształcenia materiału są proporcjonalne do kwadratu natężenia pola elektrycznego, co oznacza, że zmiana kierunku pola nie zmienia znaku odkształcenia [2]. Materiały magnetostrykcyjne Są to materiały, które przekształcają energię magnetyczną w energię odkształcenia sprężystego. Ze względu na odwracalność zjawiska magnetostrykcji mogą służyć jako aktuatory i czujniki. Natura zjawiska magnetostrykcji leży w zmianie wymiarów liniowych materiału pod wpływem zmiany namagnesowania. Zjawiskiem odwrotnym do magnetostrykcji jest efekt Villariego, zwany efektem magnetomechanicznym. Polega on na zmianie namagnesowania pod wpływem jednoosiowego naprężenia i obejmuje przemianę energii mechanicznej odkształcenia sprężystego w energię magnetyczną [5]. Materiały piezoelektryczne Są to materiały w których zachodzi zjawisko piezoelektryczne, które polega na pojawieniu się ładunków elektrycznych na powierzchni pod wpływem naprężeń mechanicznych, czyli energia mechaniczna przetwarzana jest w elektryczną. Możliwe jest również odwrotne zjawisko piezoelektryczne, które polega na tym, że pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego, dochodzi do zmian wymiarów kryształu [6]. Żele polimerowe Są to substancje, które przy wzroście temperatury kurczą się, podczas gdy przy ochłodzeniu rozszerzają się. Posiadają one cechy zarówno ciał stałych jak i cieczy. Żele polimerowe podlegają gwałtownym zmianom objętości pod wpływem takich czynników jak skład rozpuszczalnika, ph, temperatura, pole elektryczne, czy też promieniowanie świetlne [5]. Materiały z pamięcią kształtu Są to materiały, które mogą zmieniać kształt, przy podgrzaniu powyżej pewnej temperatury. Zmiana kształtu polega na powrocie materiału do kształtu wyjściowego, czyli tego przed odkształceniem plastycznym materiału. Materiały te posiadają dwie stabilne fazy: austenityczną i martenzytyczną. Zjawiskiem fizycznym odpowiadającym za zmianę kształtu tych materiałów jest przemiana martenzytyczna. Bodźcem aktywującym zmianę kształtu jest zmiana temperatury. Istnieje również grupa materiałów posiadających magnetyczną pamięć kształtu, w których przemiana martenzytyczna aktywowana jest polem magnetycznym. Przejście pomiędzy austenitem i martenzytem pod wpływem ogrzania lub chłodzenia jest podstawową cechą determinującą własności materiałów z pamięcią kształtu. Pod wpływem chłodzenia materiał przechodzi z fazy austenitu w zbliźniaczony martenzyt, w wyniku czego zachodzi niewidoczna zmiana kształtu. Pod wpływem ogrzania, zachodzi odwrócenie poprzedniej przemiany i w rezultacie z powrotem otrzymujemy austenit [5]. 9578

3 Ciecze reologiczne Są to ciecze, które zmieniają swoje właściwości reologiczne, czyli granicę płynności i lepkość, pod wpływem pola magnetycznego oraz elektrycznego. Właściwości cieczy elektroreologicznych jak i magnetoreologicznych znane są od kilkudziesięciu lat. Pod wpływem pól, magnetycznego i elektrycznego, zmieniają się właściwości lepko sprężyste cieczy. W przypadku cieczy magnetoreologicznych, zjawisko tłumaczy się uporządkowaniem dipoli magnetycznych, które są niej wytwarzane [2]. Materiały elektroluminescencyjne Są to materiały które emitują światło. Elektroluminescencja jest zdolnością materiału do emitowania światła, kiedy płynie przez niego prąd. Przy emisji światła nie dochodzi do wydzielenia ciepła. Pod wpływem działania pola elektrycznego, elektrony i dziury przemieszczają się w kierunku przeciwnym do siebie. Zamiana miejsc pomiędzy elektronami i dziurami wywołuje wyzwolenie energii, co powoduje umieszczenie elektronów w elektrolumoforach. Relaksacja wzbudzonego stanu w elektrolumoforach powoduje emisję światła. Urządzenia zdolne do emisji światła nazywamy LED (light-emitting diode) lub OLED (organic light-emitting diode) [5]. Materiały fluoroscencyjne Materiały te również należą do grupy emitującej światło. Emitują one światło widzialne lub niewidzialne jako rezultat działania promieni o małej długości fali. Światło emitowane jest tylko wtedy gdy materiał znajduje się pod wpływem działania promieni. Gdy promieniowanie przestanie być emitowane, efekt emisji światła zanika. Pigmenty fluoroscencyjne są w warunkach normalnych w jasnych kolorach, natomiast wystawione na działanie promieniowania UV przybierają jaskrawy, świecący kolor [5]. Materiały katodoluminescencyjne Jest to grupa materiałów emitujących światło. Emitują one światło, gdy na ich powierzchnię pada strumień elektronów. Jest to właściwość nazywana katodoluminescencją [5]. Materiały radioluminescencyjne Są to materiały, które emitują światło pod wpływem działania promieniowania jądrowego. Do promieniowania tego można zaliczyć promieniowanie gamma, promieniowanie X, a także cząsteczki α i β. Promieniowanie pobudza elektrony, które przechodzą na wyższe stany energetyczne. Nadmiar energii wydzielanej w tym procesie jest rozpraszany w postaci światła widzialnego [5]. Materiały termoelektryczne Są to materiały wykazujące efekt termoelektryczny. Pod tym pojęciem kryją się zjawiska termoelektryczne takie jak zjawisko Seebecka, zjawisko Peltiera oraz zjawisko Thomsona. Termoelektryczność występuje wtedy, gdy mamy dwa różne materiały, jeden z niedoborem elektronów, drugi z ich nadmiarem, a między materiałami występuje gradient temperatury. Wtedy dochodzi do przepływu elektronów, co generuje prąd o niewielkim natężeniu [5]. Materiały samogrupujące się Jest to grupa materiałów które mają zdolność do samoorganizacji. Zjawisko to można zdefiniować jako spontaniczne, samoistne łączenie się pojedynczych elementów w uporządkowaną strukturę. Otrzymane struktury mogą przypominać płaszczyzny lub być trójwymiarowe. Wymagane jest aby uporządkowana struktura była stabilna, a jej kształt i właściwości były zgodne z przyjętymi wymaganiami i założeniami [5]. 9579

4 Materiały fotochromowe Są to materiały zmieniające barwę. Zmieniają one barwę odwracalnie, w zależności od natężenia padającego na nie światła. Zazwyczaj są to materiały bezbarwne, natomiast pod wpływem działania promieni słonecznych lub ultrafioletowych, dochodzi do zmian materiałowych na poziomie molekularnym w wyniku czego materiał przybiera kolor. Po ustąpieniu działania promieniowania, kolor zanika [5]. Materiały termochromowe Materiały te również zmieniają kolor. Wykazują one właściwość termochromizmu, czyli zdolności do odwracalnej zmiany kolorów, pod wpływem zmiany temperatury. Zazwyczaj zakres temperatur waha się od -15 do 250 C [5]. Materiały elektrochromowe Materiały te charakteryzują się przejawianiem zjawiska elektrochromizmu, czyli zdolności do odwracalnych zmian optycznych, pod wpływem działania prądu elektrycznego, czyli przepływu elektronów. Zmiany polegają na zmianie koloru materiału. Zmiany mogą zachodzić w materiale, który charakteryzuje się niedoborem elektronów lub nadmiarem elektronów [5]. Materiały samonaprawiające się Inaczej nazywane samo uzdrawiającymi się. Reagują one na uszkodzenie strukturalne, takie jak pęknięcia, ubytki, wygięcia. Istnieje kilka mechanizmów samonaprawiania się, które polegają głównie na mechanizmie pamięci kształtu oraz na technologii samogrupowania się cząsteczek. Wizja mechanizmu samouzdrawiania się materiałów jest podobna do tego jaki istnieje w przyrodzie i opiera się na natychmiastowej reakcji na uszkodzenie bez ingerencji człowieka [5]. 2 STRUKTURY MORFICZNE Wszystko stworzone przez człowieka wydaje się być kopiowane z innych pomysłów. Patrząc na naturę, zdajemy sobie sprawę, że to ona jest inspiracją dla wielu naukowców. Natura jest wzorem dla wielu pomysłów. Naukowcy wiedzą, że natura może dostarczyć wiele rozwiązań projektowych dla inżynierii, rozwiązania które są skuteczne, praktyczne i trwałe i które mają potencjał, aby odkryć nowe technologie, nowe materiały oraz nowe procesy. Biologia zawsze była pomocna w rozwiązywaniu problemów projektowych, z którymi muszą zmierzyć się inżynierowie. Obserwacja lotów ptaków przyczyniła się do powstania technologii morfingu. W lotnictwie słowo morfing jest stosowane w odniesieniu do ciągłej zmiany kształtu, elementy struktury poruszają się względem siebie, a cała struktura odkształca się w sposób całościowy. Na przykład, skrzydło samolotu może zmienić swoją powierzchnię i wypukłość przez morfing. Pozwala to uniknąć luk w skrzydle oraz nagłych zmian przekroju, które mogą powodować znaczne starty aerodynamiczne, hałas i drgania w samolocie [4]. Do struktur morficznych często stosuje się elastyczne poszycia, warstwy pokrywającą strukturę morficzną. Inteligentna warstwa powinna czuć co dzieje się w otoczeniu (zbierać informacje o ciśnieniu, prędkości, gęstości lub zmiany temperatury). W wyniku procesu przetwarzania informacji, inteligentne poszycie reaguje na bodźce zewnętrzne takie jak: pole elektromagnetyczne, ciśnienie, temperaturę i światło, w czasie rzeczywistym [1]. Obecnie wykorzystanie wielu urządzeń aerodynamicznych, takich jak klapy lotnicze, stanowiące uproszczenie ogólnych idei morfingu. Tradycyjne systemy kontroli dają wysoką wydajność aerodynamiczną w stałych zakresie i na określony zestaw warunków lotu. Poza tym zakresem, te tradycyjne systemy mogą być neutralne lub negatywnie wpływają na właściwości aerodynamiczne, a tym samym często dają niższą wydajność. Mechanizmy konwencjonalnych klap są skuteczne w kontrolowaniu przepływu powietrza, ale nie są skuteczne jak struktury morficzne, ze względu na nieciągłość powierzchni, która negatywnie wpływa na niepożądane zjawiska dynamiki przepływającego powietrza. 9580

5 Kluczowym wyzwaniem w tworzeniu struktury morficznej jest opracowanie poszycia inteligentnego, zdefiniowanego jako warstwa ciągła materiału, która rozciąga się nad strukturą morficzną, tworząc gładką powierzchnię poszycia. W związku z powyższym autor pracy zaproponował nowy materiał magnetoreologiczny, który ma dużą szansę na zastosowanie w strukturach morficznych. Bezpośrednio poniżej przedstawia jego krótką charakterystykę. 3 POSZYCIE MAGNETOREOLOGICZNE Poszycie magnetoreologiczne to nowa propozycja dla struktur morficznych. W pierwotnej fazie przygotowawczej opracowania elastomeru magnetoreologicznego dostarczono fragment nowego materiału bazującego na kauczuku naturalnym. Wykonano dużą liczbę badań pod kątem zawartości pyłu karbonylkowego, odpowiedzialnego za zmianę reologii materiału w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Pierwsze badania wykazały, że właściwości tego materiału mogą być sterowane przez zmianę zewnętrznego pola magnetycznego. Proces jest całkowicie odwracalny, materiał magnetoreologiczny dobrze rokuje w rozwiązaniach konstrukcyjnych struktur morficznych. Na rys. 1 przedstawiono nowy elastomer magnetoreologiczny do zastosowań w strukturach lotniczych. Rys 1.Elastomer magnetoreologiczny Materiał elastyczny jest idealnym materiałem do zastosowania w strukturze morficznej jako inteligentne poszycie. Jednakże zanim zostanie z powodzeniem zastosowany w strukturze lotniczej wymaga szeregu badań w celu dokładnego zbadania jego właściwości mechanicznych i magnetycznych oraz właściwego zoptymalizowania jego składu materiałowego. Jest to propozycja autora pracy do dłuższej refleksji nad wykorzystaniem membran, błon, powłok magnetycznych, tak aby w sposób kontrolowany za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego móc kontrolować powierzchnię struktury i świadomie wpływać na wartość siły aerodynamicznej, czy móc kontrolować poziom drgań i hałasu. WNIOSKI Stale rosnące wymagania stawiane współczesnym urządzeniom i maszynom, a w szczególności konstrukcjom lotniczym coraz trudniej realizować w oparciu o materiały klasyczne. Zastosowanie materiałów inteligentnych zwiększa wydajność i niezawodność niektórych systemów, a nawet umożliwia zaprojektowanie układów, które nie były stosowane w starszych generacjach statków powietrznych. Materiały typu smart dzięki swoim specyficznym właściwościom umożliwiają aktywną redukcję drgań mechanicznych, tworzenie nowoczesnych powierzchni sterowych lub nośnych. W związku z tym, w pełni uzasadniona jest teza, że materiały inteligentne ze względu na swoje specyficzne cechy stanowią przyszłość wielu branż, w tym lotnictwa. 9581

6 Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC- 2011/01/D/ST8/ Streszczenie Właściwości materiałów inteligentnych mogą być kontrolowane za pomocą temperatury, wilgoci, pola elektrycznego bądź magnetycznego, współczynnika ph bądź przez zmianę naprężeń. Wiele materiałów inteligentnych zostało wynalezionych ponad 30 lat temu, ale ich rozwój przez ostatnie trzy dziesięciolecia pozwolił na ich wiele różnych zastosowań. Morfing w zastosowaniach lotniczych cieszy się coraz większym zainteresowaniem, ze względu na możliwość zwiększenia wydajności i efektywności lotu w szerokim zakresie warunków lotu. Praca zawiera wprowadzenie nowego materiału inteligentnego (poszycia magnetoreologicznego) w zastosowaniu do struktur morficznych. Smart material for use in aviation structures Abstract Smart materials have properties that can be altered by temperature, moisture, electric or magnetic fields, ph, and stress. Many smart materials were invented more than 30 years ago, but their development and improvement over the past three decades has led to new, more varied uses of these adaptable materials. The morphing technology on aircraft has found increased interest over the last decade because it is likely to enhance performance and efficiency over a wider range of flight conditions. The work presents an introduction of a new smart material (a magnetorheological skin) for use in morphing structures. REFERENCES 1. Akhras G., Smart Materials and Smart Systems for the Future, Canadian Military Journal, Autumn Makarewicz G., Materiały inteligentne - zastosowanie w systemach aktywnej redukcji hałasu i drgań, Centralny instytut ochrony pracy państwowy instytut badawczy, Bezpieczeństwo pracy12/ Sapińska-Wcisło A., Mechatroniczne człony wykonawcze z zastosowaniem materiałów inteligentnych, Kraków, Thill C., EtchesJ.A., BondI.P., PotterK.D., WeaverP.M., Morphing skins, The Aeronautical Journal, Vol. 112 (1129), 2008, p Wojciechowski S.,