Интеллектуальные материалы.

  Технологии совсем недалекого будущего в значительной степени будут широко применять так называемые интеллектуальные материалы и конструкции. Из анализа экспертных оценок специалистов следует, что в ближайшие 20 лет до 90% современных материалов, применяемых в промышленности, могут быть заменены новыми, в частности интеллектуальными материалами, что позволит создать элементы конструкций, которые будут определять технический прогресс XXI в.

 К настоящему времени полный цикл научных исследований в области создания интеллектуальных материалов практически завершен.

 Однако конечной целью такой работы является создание несущих конструкций, в которых интеллектуальные материалы способствуют не только изменению состояния конструкций, но и их перемещению или даже самовосстановлению.

 Согласно принятому научным сообществом определению, под интеллектуальным материалом или конструкцией понимают систему, способную в реальном масштабе времени регистрировать внешние воздействия и активно реагировать на них, изменяя свои свойства в режиме максимально адекватного отражения или противодействия таким воздействиям. Изменения свойств позволяют материалу или в целом конструкции динамически подстраиваться к условиям окружающей среды. Такое поведение материалов и конструкций особенно актуально при решении проблем защиты кораблей по физическим полям.

 К интеллектуальным материалам будущего относятся различные по химическому и агрегатному состоянию материалы, которые объединяет проявление одной или нескольких физических характеристик (оптических, магнитных, электрических, механических) или физико-химических характеристик (например, реологических), которые значительно, обратимо или необратимо, изменяются под воздействием внешних управляемых или случайных воздействий. В качестве таких воздействий могут быть изменения давления, температуры, влажности, рН среды, электрического, магнитного, или электромагнитного полей и других факторов.

 Разнородные материалы рассматриваются как интеллектуальные благодаря проявлению взаимозависимых, но различных по своей природе свойств, например, пьезоэлектрических, термохромных, фото-хромных, магнитореологических, а также свойств памяти формы и действия. В окружающем нас мире такие материалы, созданные природой, встречаются достаточно часто. Например, к их числу можно отнести различные активные минералы и даже воду.

 Интеллектуальные материалы можно будет использовать как в качестве сенсоров, чувствительных к какому-либо воздействию, так и в качестве актуаторов, вызывающих искусственно совершаемое, но при этом управляемое действие при получении контролирующего сигнала. В качестве примера простейших интеллектуальных материалов можно привести биметаллические пластины в регуляторах температуры. В последнее время в качестве интеллектуальных материалов представляются пьезоэлектрики (альфа-кварц, титанат-цирконат свинца в др.), термоэлектрики, мультиферроики, магнитокалорические материалы, материалы с эффектом гигантского магнитного сопротивления, магнито и электрореологическис жидкости, материалы, обладающие эффектом памяти формы, например сплав никеля и титана нитинол см. рис., термо- и фоточувствительные полимеры.

Сплав нитинол, обладающий эффектом памяти формы.

К интеллектуальным материалам относятся полимерные гели, собные изменять свой объем или другие свойства даже при незначительном изменении внешних условий. В качестве примера также можно привести уже разработанную и используемую в боевых условии к так называемую «жидкую броню». Очевидно, что создать интеллектуальные монометаллы или сплавы чрезвычайно трудно. В этом случае можно с уверенностью говорить о реальной перспективе создания интеллектуальных конструкций, представляющих собой основу — моно-или биметалл и специальное «интеллектуальное» покрытие. Тем более что различные полимерные покрытия, значительно изменяющие, например, электропроводящие, оптические, антифрикционные и другие свойства при сорбции определенных веществ, входящих в их состав, уже сегодня достаточно широко применяются в различных сенсорах приборов, используемых в том числе для мониторинга сред, например для определения концентрации токсичных компонентов.

 Наибольшие перспективы при создании «интеллектуальных» материалов специалисты, как правило, связывают с ианотехнологиями и наноматериалами. Однако не меньшую роль в решении данной проблемы играют так называемые «интеллектуальные» композиты. Они представляют собой особым образом структурированные системы, состоящие, в свою очередь, из подсистем считывания внешнего воздействующего сигнала, подсистемы его обработки, функционального отклика, механизма обратной связи, самодиагностирования и самовосстановления (в случае требуемой обратимости). Каждый элемент такой сложной структурной системы имеет определенную функциональность, при этом вся система строится по принципу: «принимать решение и совершать действие».

 В настоящее время уже достаточно широко известны материалы, на основе которых можно сконструировать подобную весьма перспективную систему. К таким материалам можно отнести:
- сплавы и полимеры с развитой памятью формы и действия, которые деформируются, а затем восстанавливают форму при изменении температуры или напряженности магнитного, электрического или электромагнитного поля, например ферромагнитные жидкости см. рис.

Ферромагнитная жидкость.

- рН-чувствительные полимеры, которые набухают или коллапси-руют при изменении кислотности окружающей среды;
- термочувствительные полимеры или другие покрытия, например на основе интеркалированного графита, меняющие свойства при изменении температуры окружающей среды, защищая при этом изделия от любого высокотемпературного воздействия;
- галохромные, электро-, термо- и фотохромные материалы, которые изменяют цвет (или его пропускание) при изменении температуры, кислотной среды, приложенного напряжения электрического (электромагнитного) поля, облучении светом;
- неньютоновские жидкости, которые меняют вязкость вплоть до потери текучести при изменении величины приложенной скорости сдвига, а также другие жидкостные интеллектуальные системы, способные изменить свое движение под действием электрического сигнала и вызывать появление реальных сил и смещений.

Для примера можно привести швейцарскую фирму Ribcar, которая выпускает защитную одежду и головные уборы по технологии, использующей свойства неньютоновских жидкостей см. рис. В обычном состоянии пластик, из которого изготовлены изделия, мягкий эластичный материал, но стоит приложить внешнее воздействие (ударить или быстро надавить) он мгновенно твердеет и гасит ударную волну, а затем снова приобретает эластичные свойства. Оба процесса проходят за ничтожно малое время. На рис. показано, что при ударе полимер образует пространственную структуру, за счет чего изделие «гасит» ударную волну;
- магнитно-стрикционные материалы, используемые в качестве активных приводов, реагирующих на изменение внешних условий. Основные виды разработанных к настоящему времени «интеллектуальных» материалов приведены на рис.

Изделия фирмы Ribcar, в производстве которых используются свойства неньютоновских жидкостей.

Примеры «интеллектуальных» материалов.

 Достигнутые успехи в области создания функциональных нанома-териалов и «интеллектуальных» конструкционных систем, способных самостоятельно управлять своей структурной и композиционной организацией, вселяют надежды на будущее, тем более что некоторые разработки уже сейчас внедряются в практику. Важнейшим направлением в управлении структурой является процесс самовосстановления конструкций.