luckyea77 (luckyea77) wrote,
luckyea77
luckyea77

Categories:

«Умные» материалы

Физик Федор Сенатов о пьезоэлектриках, термохромных красках и самовосстанавливающихся материалах



Что такое композиционные материалы? Как значительно улучшить свойства ткани или металла? Как создают новые материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

«Умные» материалы (интеллектуальные материалы, smart materials) — это новый класс материалов, который уже достаточно давно вошел в нашу жизнь, но только последние десять лет само это название — «умные» материалы — стало более-менее часто использоваться в научно-популярной литературе.

Самым первым интеллектуальным материалом можно назвать пьезорезистивные материалы. В 1856 году лорд Кельвин обнаружил, что если определенные материалы изогнуть, продеформировать, то в них меняется сопротивление. Сейчас такие пьезорезистивные материалы используются как различные датчики, например, деформации и давления. Если есть какая-то конструкция и на нее оказывается давление, то можно понять, после какого момента начнется разрушение. Если материал изогнулся и есть превышающие норму деформации, в них изменяется сопротивление, и с помощью электрических схем можно прочувствовать и измерить это.

Умные материалы — это огромный класс материалов, которых объединяет одно общее свойство. Оно заключается в том, что под воздействием какого-то внешнего фактора — изменения давления, температуры, влажности, pH среды или наложения внешнего магнитного поля — начинает изменяться одна либо несколько характеристик материала.

В 1880 году, через тридцать лет после открытия лорда Кельвина, братья Жан и Пьер Кюри обнаружили пьезоэлектрический эффект, согласно которому материал при деформации может индуцировать образование электрического заряда. Через год был открыт обратный эффект: при наложении электрического поля материал может деформироваться. Сейчас пьезоэлектрики применяются повсеместно. Это могут быть пьезоэлектрические зажигалки, пьезоэлектрические двигатели, то есть двигатели, которые нужны при точном позиционировании, например, в конструкции зондового сканирующего микроскопа, где важны мельчайшие отклонения. Это происходит за счет того, что небольшие изменения электрического поля могут приводить к контролируемым деформациям материала и наоборот.

Есть еще ряд материалов, которые сейчас активно применяются в быту, — это термохромные и фотохромные пигменты и краски. Что же это такое? Думаю, у некоторых людей есть кружки, которые, если в них налить горячий чай, изменяют свой цвет либо прозрачность. Это материалы, реагирующие на изменение температуры. Они нужны не только для баловства в быту (например, из них делают детские бутылочки, которые реагируют на изменение температуры, то есть если температура превышена, то цвет один, если бутылочка остыла — другой). Такие материалы применяются также в промышленных установках, где важно следить за изменением внешней температуры. Также существуют фотохромные материалы, которые реагируют уже на изменение потока ультрафиолета. Это уже всем известные солнечные очки с изменением затемненности.

Есть и класс стрессочувствительных материалов. В 1948 году был разработан метод Улитовского — Тейлора, за который Улитовский в 1960 году, уже посмертно, получил Ленинскую премию. С помощью этого метода можно получать тончайшие нити, микропровода, состоящие из аморфного металла и покрытые стеклянной оболочкой. Прежде всего, такой провод очень тонкий: его толщина меньше толщины человеческого волоса — около 20 микрометров. В нем также возникает эффект гигантского магнитного импеданса. Суть этого материала в том, что небольшие деформации, напряжения, возникающие в этом материале, приводят к существенным изменениям магнитных характеристик микропровода.

Такие провода можно встраивать в структуру материалов, которые функционируют в серьезных изделиях, например в нефтегазовых трубах. Если где-то появляется коррозия, образуются трещины, то даже небольшая трещина может привести к увеличению напряжения, и этот микропровод начинает немного подтягиваться. Даже небольшие деформации приводят к существенным изменениям магнитных характеристик, и их можно детектировать.

Медики хотят активно применять такие микропровода для встраивания в протезы. Если человек ходит с протезом в конечности, то протез постоянно подвержен циклическим нагрузкам, под их воздействием может накапливаться усталость. Эти изменения в материале можно детектировать именно такими микропроводами. Их уже начали применять в качестве специальных магнитных меток. Вы все знаете, что на книжки клеятся аморфные пластины, которые предотвращают их унос из магазина. То же самое можно делать, используя тонкие микропровода: оторвать их с поверхности продукта довольно сложно, зато можно детектировать магнитным устройством.

Существуют также материалы в виде специальных сплавов, которые чувствительны к возникновению трещин на их границе. В обычный массив материала можно встраивать микрочастицы сплава, и когда трещина идет через материал и доходит до этой частицы, то в этой частице происходят структурные превращения — например, мартенситное превращение, а это сопровождается акустическим сигналом и изменением магнитной характеристики материала. Можно внешним датчиком с большой точностью детектировать место образования трещины. Именно такие материалы могли бы использоваться, например, в костюме Тони Старка, Железного Человека. В фильмах и комиксах компьютер говорит ему: «Ваши повреждения — 70%». Как это можно узнать? Например, встроив в костюм Железного Человека либо микропровода, либо специальные микрочастицы сплавов.

С умными материалами связывается такой бум, который произошел уже ближе к концу XX века. В 1948 году советскими металлургами Курдюмовым и Хандросом был предсказан сплав с памятью формы. Уже в 1962 году в США был разработан и запатентован первый коммерчески успешный сплав нитинол — по первым буквам: «ни» — никель, «ти» — титан, «нол» — это лаборатория морской артиллерии США, где и был разработан и запатентован этот сплав. Суть нитинола и всех сплавов с памятью формы заключается в том, что это материалы, которые могут восстанавливать свою форму даже после существенных деформаций.

Деформации бывают разные. Например, упругая деформация: в металлах она небольшая, в резинах — наоборот, поэтому их можно растянуть на большую длину, отпустить, и резина вернет свою форму. Есть пластическая деформация, когда можно сильно деформировать полимер и металл, но они не могут вернуть форму, а материалы с памятью формы могут. Если изделие из нитинола продеформировать, а потом нагреть выше температуры превращения структур внутри этого материала, то можно заставить материал вернуть свою изначальную форму.

Нитинол с 1970–1980-х годов стал применяться в медицине для создания специальных клипс на кровеносные сосуды, которые могут пережимать сосуд во время хирургической операции. Охлажденную скрепку ставят на кровеносный сосуд, и она постепенно смыкается под действием температуры человеческого тела. То есть можно подобрать такие температуры реакции сплава с памятью формы, чтобы они подходили, например, к температуре человеческого тела. Есть также специальные проволоки, которые при введении в кровеносный сосуд начинают сворачиваться, раздвигая стенки кровеносных сосудов и восстанавливая кровоток.

Ближе к 1990–2000-м годам был бум, связанный с разработкой сплавов и других материалов с памятью формы, которые могли бы применяться в аэрокосмической отрасли. Изначально NASA и различные крупные организации делали заказы на разработку летательных аппаратов, которые могли бы реагировать на изменение температур и изменять внешнюю конфигурацию. Такие компании, как, например, «Боинг», занимаются разработкой конфигурации крыла, для того чтобы изменять аэродинамику непосредственно в полете за счет разогрева. Появлялись специальные концепты летательных аппаратов, которые могли бы разворачивать антенны в космосе за счет прогрева.

Следующий бум умных материалов связан с появлением различных полимерных материалов с памятью формы. Плюс в том, что в них восстанавливаемые деформации составляют сотни процентов, в нитиноле же восстанавливаемая деформация не более 8%. Полимеры с памятью формы стали пытаться сразу использовать для создания медицинских имплантатов, самоустанавливающихся конструкций, которые можно создать в виде большого имплантата, а потом сжать до компактного состояния и уже малоинвазивно без больших разрезов поместить в организм, где под действием тепла человеческого организма он развернется и примет нужную форму.

Еще одна большая область применения «умных» материалов — это самозалечивающиеся материалы. Всегда хотелось, чтобы искусственные материалы сами восстанавливались: разбил кружку, пошла трещина, а материал стал сам зарастать. Существует два принципа работы таких материалов. Первый — когда в материал можно встраивать маленькие микрокапсулы, которые содержат залечивающее вещество либо какой-то химический реагент. Если прошла трещина и она достигла микрокапсулы, то капсула лопается, из нее выходит залечивающее вещество, оно затвердевает, и материал начинает зарастать. Второй вариант — использование материалов с памятью формы, которые после существенных деформаций при специальном разогреве начинают эту трещину смыкать.

Передовое направление последних пяти лет — 4D-печать. Это обычная 3D-печать, но материалами с памятью формы. Сейчас стали появляться концепты, согласно которым можно распечатать имплантаты с заданными характеристиками под индивидуального человека уже в изначальном объеме, изначальной геометрии, а потом заставить имплантат внутри организма принять новую форму и выполнить специальные функции.

Tags: материал
Subscribe

Posts from This Journal “материал” Tag

promo luckyea77 june 21, 2015 20:04 29
Buy for 10 tokens
В этой записи я буду давать ссылки на посты с лекциями и уроками в этом блоге: Учебные материалы и тесты: 11 ресурсов для бесплатного образования Онлайн-курсы по высоким технологиям и инновациям Дистанционное образование в России (среднее профессиональное образование, бакалавриат, магистратура,…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments