"Nicht-traditionelle Materialien" ist einer der wichtigsten Bereiche der Technologieentwicklung in der Militär- und Luft- und Raumfahrtindustrie. Materialien müssen nicht nur als tragende Struktur dienen – sie müssen smarte Materialien sein
Smart Materials sind eine besondere Klasse von Materialien, die sowohl als Aktor als auch als Sensor fungieren können und die notwendigen mechanischen Verformungen in Verbindung mit Temperatur-, Strom- oder Magnetfeldänderungen bereitstellen. Da Verbundwerkstoffe aus mehr als einem Material bestehen und aufgrund des modernen technologischen Fortschritts ist es heute möglich, andere Materialien (oder Strukturen) in den Prozess der integrierten Funktionalität einzubeziehen, in Bereichen wie:
- Morphing, - Selbstheilung, - Wahrnehmung, - Blitzschutz und
- Energiespeicher.
Wir werden uns in diesem Artikel auf die ersten beiden Bereiche konzentrieren.
Morphing-Materialien und Morphing-Strukturen
Morphing-Materialien umfassen solche Materialien, die nach den Eingangssignalen ihre geometrischen Parameter ändern und die in der Lage sind, ihre ursprüngliche Form wiederherzustellen, wenn externe Signale aufhören.
Diese Materialien werden aufgrund ihrer Reaktion in Form einer Formänderung als Aktoren verwendet, können aber auch in umgekehrter Weise, d. h. als Sensoren verwendet werden, bei denen ein auf das Material einwirkender äußerer Einfluss in Signal. Die Anwendungen dieser Materialien in der Luft- und Raumfahrt sind vielfältig: Sensoren, Aktoren, Schalter in elektrischen Anlagen und Geräten, Avionik und Verbindungen in Hydrauliksystemen. Die Vorteile sind: außergewöhnliche Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer, keine Leckagen, geringe Installationskosten und eine deutliche Reduzierung des Wartungsaufwands. Von besonderem Interesse sind unter Aktuatoren aus Morphing-Materialien und Formgedächtnislegierungen Aktuatoren zur automatischen Steuerung von Avionik-Kühlsystemen und Aktuatoren zum Schließen/Öffnen von Führungsklappen in Cockpit-Klimaanlagen.
Zu den Materialien, die durch Anlegen eines elektrischen Feldes ihre Form ändern, gehören piezoelektrische Materialien (das Phänomen der Polarisation von Materialien mit kristalliner Struktur unter Einwirkung mechanischer Spannungen (direkter piezoelektrischer Effekt) und mechanische Verformungen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes (umgekehrter piezoelektrischer Effekt)) und elektrostriktive Materialien. Der Unterschied liegt in der Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld: Ein piezoelektrisches Material kann sich verlängern oder verkürzen, während sich ein elektrostriktives Material nur dehnt, unabhängig von der Richtung des angelegten Feldes. Bei Sensoren wird die durch mechanische Beanspruchung erzeugte Spannung gemessen und verarbeitet, um Informationen über dieselbe Beanspruchung zu erhalten. Diese Materialien mit direktem piezoelektrischem Effekt werden häufig in Beschleunigungs- und Lastsensoren, akustischen Sensoren verwendet. In allen Aktoren werden andere Materialien verwendet, die auf dem umgekehrten piezoelektrischen Effekt basieren; Sie werden häufig in optischen Systemen für Aufklärungssatelliten eingesetzt, da sie in der Lage sind, die Position von Linsen und Spiegeln nanometergenau einzustellen. Die vorgenannten Materialien sind auch in Morphing-Strukturen enthalten, um bestimmte geometrische Eigenschaften zu verändern und diesen Strukturen besondere zusätzliche Eigenschaften zu verleihen. Eine Morph-Struktur (auch als intelligente Struktur oder aktive Struktur bezeichnet) ist in der Lage, Änderungen der äußeren Bedingungen aufgrund des Betriebs des darin eingebauten Sensor- / elektromechanischen Wandlersystems zu erfassen. Auf diese Weise (aufgrund des Vorhandenseins eines oder mehrerer Mikroprozessoren und einer Leistungselektronik) können in Übereinstimmung mit den von den Sensoren kommenden Daten entsprechende Änderungen induziert werden, wodurch sich die Struktur an externe Änderungen anpassen kann. Eine solche aktive Überwachung ist nicht nur auf ein externes Eingangssignal (zB mechanischer Druck oder Formänderung) anwendbar, sondern auch auf Änderungen interner Eigenschaften (zB Beschädigung oder Ausfall). Der Anwendungsbereich ist recht breit und umfasst Raumfahrtsysteme, Flugzeuge und Hubschrauber (Kontrolle von Vibrationen, Lärm, Formänderung, Spannungsverteilung und aeroelastische Stabilität), Marinesysteme (Schiffe und U-Boote) sowie Schutztechnologien.
Eine der Tendenzen, Schwingungen (Vibrationen) zu reduzieren, die in strukturellen Systemen auftreten, ist sehr interessant. An den am stärksten beanspruchten Stellen werden spezielle Sensoren (bestehend aus mehrschichtigen Piezokeramiken) platziert, um Schwingungen zu detektieren. Nach der Analyse der schwingungsinduzierten Signale sendet der Mikroprozessor ein Signal (proportional zu dem analysierten Signal) an den Aktuator, der mit einer geeigneten Bewegung reagiert, die die Schwingung hemmen kann. Das Office of Applied Aviation Technology der US-Armee und die NASA haben ähnliche aktive Systeme getestet, um Vibrationen einiger Elemente des CH-47-Hubschraubers sowie der Leitwerke des F-18-Jägers zu reduzieren. Die FDA hat bereits damit begonnen, aktive Materialien in Rotorblätter zu integrieren, um Schwingungen zu kontrollieren.
Bei einem herkömmlichen Hauptrotor leiden die Blätter unter starken Vibrationen, die durch die Rotation und alle damit verbundenen Phänomene verursacht werden. Aus diesem Grund und um Vibrationen zu reduzieren und die Kontrolle der auf die Schaufeln wirkenden Belastungen zu erleichtern, wurden aktive Schaufeln mit hoher Biegefähigkeit getestet. In einer speziellen Prüfform (sog. „Embedded Twisting Circuit“) wird bei Änderung des Anstellwinkels die Klinge durch den integrierten Aktivfaserverbund AFC (Elektrokeramik eingebettet in eine weiche Polymermatrix) über die gesamte Länge verdreht in die Klingenstruktur. Die aktiven Fasern sind schichtweise übereinander auf der Ober- und Unterseite der Klinge in einem Winkel von 45 Grad gestapelt. Die Arbeit der aktiven Fasern erzeugt eine verteilte Spannung im Blatt, die eine entsprechende Biegung im gesamten Blatt verursacht, die die Schwingschwingungen ausgleichen kann. Ein weiterer Test („Aktivierung diskreter Schwingungen“) ist durch die weit verbreitete Verwendung von piezoelektrischen Mechanismen (Aktoren) zur Schwingungskontrolle gekennzeichnet: Aktoren werden in die Schaufelstruktur platziert, um den Betrieb einiger Deflektoren entlang der Hinterkante zu steuern. Somit tritt eine aeroelastische Reaktion auf, die die vom Propeller erzeugte Schwingung neutralisieren kann. Beide Lösungen wurden an einem echten CH-47D-Hubschrauber in einem Test namens MiT Hower Test Sand evaluiert.
Die Entwicklung von Morphing-Strukturelementen eröffnet neue Perspektiven bei der Gestaltung von Strukturen erhöhter Komplexität, während deren Gewicht und Kosten deutlich reduziert werden. Eine deutliche Reduzierung der Vibrationspegel bedeutet: längere Lebensdauer der Struktur, weniger Überprüfungen der strukturellen Integrität, höhere Rentabilität der endgültigen Konstruktionen, da Strukturen weniger Vibrationen ausgesetzt sind, mehr Komfort, verbesserte Flugleistung und Lärmschutz bei Hubschraubern.
Laut NASA wird erwartet, dass in den nächsten 20 Jahren der Bedarf an leichteren und kompakteren Hochleistungs-Flugzeugsystemen einen stärkeren Einsatz von Morphing-Designs erfordern wird.
Selbstheilende Materialien
Selbstheilende Materialien der Klasse der Smart Materials sind in der Lage, Schäden durch mechanische Beanspruchung oder äußere Einflüsse selbstständig zu reparieren. Bei der Entwicklung dieser neuen Materialien wurden natürliche und biologische Systeme (z. B. Pflanzen, einige Tiere, menschliche Haut usw.) als Inspirationsquelle verwendet (in der Tat wurden sie anfangs als biotechnologische Materialien bezeichnet). Selbstheilende Materialien finden sich heute in fortschrittlichen Verbundwerkstoffen, Polymeren, Metallen, Keramiken, Korrosionsschutzbeschichtungen und Farben. Besonderes Augenmerk wird auf deren Anwendung in Weltraumanwendungen (Großforschung wird von der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation) gelegt, die durch Vakuum, große Temperaturunterschiede, mechanische Schwingungen, kosmische Strahlung sowie Schadensminderung gekennzeichnet sind verursacht durch Kollisionen mit Weltraumschrott und Mikrometeoriten. Darüber hinaus sind selbstheilende Materialien für die Luftfahrt- und Verteidigungsindustrie unverzichtbar. Moderne Polymerverbundwerkstoffe, die in Luft- und Raumfahrt- und Militäranwendungen verwendet werden, sind anfällig für Schäden, die durch mechanisches, chemisches, thermisches, feindliches Feuer oder eine Kombination dieser Faktoren verursacht werden. Da Schäden im Inneren von Materialien schwer zu erkennen und zu reparieren sind, besteht die ideale Lösung darin, die auf Nano- und Mikroebene aufgetretenen Schäden zu beseitigen und das Material in seine ursprünglichen Eigenschaften und seinen ursprünglichen Zustand zurückzuversetzen. Die Technologie basiert auf einem System, bei dem das Material Mikrokapseln von zwei verschiedenen Typen enthält, von denen eine eine selbstheilende Komponente und die andere einen bestimmten Katalysator enthält. Wird das Material beschädigt, werden die Mikrokapseln zerstört und ihr Inhalt kann miteinander reagieren, den Schaden auffüllen und die Integrität des Materials wiederherstellen. Somit tragen diese Materialien in hohem Maße zur Sicherheit und Haltbarkeit fortschrittlicher Verbundwerkstoffe in modernen Flugzeugen bei, während die Notwendigkeit einer kostspieligen aktiven Überwachung oder einer externen Reparatur und/oder eines Austauschs entfällt. Trotz der Eigenschaften dieser Materialien besteht ein Bedarf, die Wartbarkeit von Materialien, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden, zu verbessern, und für diese Rolle werden mehrschichtige Kohlenstoffnanoröhren und Epoxidsysteme vorgeschlagen. Diese korrosionsbeständigen Materialien erhöhen die Zugfestigkeit und Dämpfungseigenschaften der Verbundwerkstoffe und verändern die Temperaturwechselbeständigkeit nicht. Interessant ist auch die Entwicklung eines Verbundmaterials mit einer keramischen Matrix – einer Matrixzusammensetzung, die jedes Sauerstoffmolekül (das durch eine Beschädigung in das Material eingedrungen ist) in ein Silizium-Sauerstoff-Partikel mit niedriger Viskosität umwandelt, das aufgrund von Beschädigungen fließen kann auf den Kapillareffekt und füllen sie. NASA und Boeing experimentieren mit selbstheilenden Rissen in Luft- und Raumfahrtstrukturen unter Verwendung einer Polydimethylsiloxan-Elastomermatrix mit eingebetteten Mikrokapseln.
Selbstheilende Materialien sind in der Lage, Schäden zu reparieren, indem sie die Lücke um das gestanzte Objekt schließen. Offensichtlich werden solche Fähigkeiten auf Verteidigungsebene sowohl für Panzerfahrzeuge und Panzer als auch für Personenschutzsysteme untersucht.
Selbstheilende Materialien für militärische Anwendungen erfordern eine sorgfältige Bewertung der Variablen, die mit einem hypothetischen Schaden verbunden sind. In diesem Fall hängt der Aufprallschaden ab von:
- kinetische Energie durch das Geschoss (Masse und Geschwindigkeit), - Systemdesigns (äußere Geometrie, Materialien, Panzerung) und
- Kollisionsgeometrieanalyse (Treffwinkel).
Vor diesem Hintergrund experimentieren DARPA und die US Army Laboratories mit den fortschrittlichsten selbstheilenden Materialien. Insbesondere können durch das Eindringen des Geschosses restaurative Funktionen eingeleitet werden, bei denen der ballistische Aufprall eine lokale Erwärmung des Materials verursacht und eine Selbstheilung ermöglicht.
Sehr interessant sind Studien und Tests von selbstheilenden Gläsern, bei denen durch mechanische Einwirkung entstandene Risse mit Flüssigkeit gefüllt werden. Selbstheilendes Glas kann bei der Herstellung von kugelsicheren Windschutzscheiben von Militärfahrzeugen verwendet werden, die den Soldaten eine gute Sicht ermöglichen würden. Es kann auch in anderen Bereichen, Luftfahrt, Computerdisplays usw. Anwendung finden.
Eine der großen Herausforderungen der Zukunft besteht darin, die Lebensdauer fortschrittlicher Materialien, die in Strukturelementen und Beschichtungen verwendet werden, zu verlängern. Folgende Materialien werden untersucht:
- selbstheilende Materialien auf Basis von Graphen (zweidimensionales Halbleiter-Nanomaterial bestehend aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen), - fortschrittliche Epoxidharze, - Materialien, die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, - Korrosionsschutz-Mikrokapseln für Metalloberflächen, - Elastomere, die dem Aufprall von Kugeln standhalten können, und
Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die als zusätzliche Komponente verwendet werden, um die Materialleistung zu verbessern.
Eine beträchtliche Anzahl von Materialien mit diesen Eigenschaften wird derzeit getestet und experimentell untersucht.
Ausgabe
Viele Jahre lang haben Ingenieure oft konzeptionell vielversprechende Projekte vorgeschlagen, die jedoch aufgrund der Unzugänglichkeit geeigneter Materialien für die praktische Umsetzung nicht umgesetzt werden konnten. Heute geht es vor allem darum, Leichtbaustrukturen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften zu schaffen. Der moderne Fortschritt bei modernen Materialien (Smart Materials und Nanocomposites) spielt bei aller Komplexität eine Schlüsselrolle, wenn die Eigenschaften oft sehr ambitioniert und manchmal sogar widersprüchlich sind. Derzeit ändert sich alles mit kaleidoskopischer Geschwindigkeit, für ein neues Material, dessen Produktion gerade erst beginnt, gibt es ein nächstes, an dem sie experimentieren und testen. Die Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie kann viele Vorteile aus diesen erstaunlichen Materialien ziehen.
