Умни материали: Памет на формата и самовъзстановяване - глобална перспектива

Умните материали, известни също като интелигентни или реактивни материали, са проектирани да реагират на външни стимули, променяйки свойствата или функциите си по предвидим начин. Тези стимули могат да включват температура, светлина, налягане, електрически или магнитни полета и химическа среда. Тази адаптивност ги прави изключително гъвкави, с приложения, обхващащи различни индустрии по целия свят. Тази блог статия ще се задълбочи в два основни типа умни материали: материали с памет на формата и самовъзстановяващи се материали.

Какво представляват материалите с памет на формата?

Материалите с памет на формата (МПФ) са материали, които могат да „помнят“ първоначалната си форма и да се връщат към нея, когато бъдат подложени на специфичен стимул, обикновено температура. Това забележително свойство произтича от фазова трансформация в кристалната структура на материала.

Видове материали с памет на формата

• Сплави с памет на формата (СПФ): Това са метални сплави, най-често никел-титанови сплави (NiTi), известни също като нитинол. СПФ проявяват както ефект на памет на формата (ЕПФ), така и супереластичност.
• Полимери с памет на формата (ППФ): Това са полимерни материали, които проявяват подобно поведение на памет на формата. ППФ обикновено са по-леки, по-евтини и по-лесни за обработка от СПФ, но обикновено имат по-ниски сили на възстановяване.

Ефектът на памет на формата

Ефектът на памет на формата се основава на фазова трансформация в твърдо състояние между две кристални структури: мартензит (ниска температура) и аустенит (висока температура). Когато СПФ или ППФ е в своята мартензитна фаза, той може лесно да бъде деформиран. Въпреки това, когато се нагрее над своята температура на трансформация, той се връща към своята аустенитна фаза, възстановявайки първоначалната си, предварително програмирана форма.

Представете си, че огъвате кламер, изработен от нитинол. Той ще остане огънат при стайна температура. Сега, ако загреете кламера със сешоар, той магически ще се върне към първоначалната си права форма. Това е ефектът на памет на формата в действие.

Супереластичност

Някои СПФ, особено при температури малко над тяхната температура на трансформация, проявяват супереластичност (известна също като псевдоеластичност). В това състояние материалът може да претърпи значителна деформация (до 8% за NiTi) и спонтанно да се върне в първоначалната си форма след премахване на приложеното напрежение. Това е различно от ефекта на памет на формата, който изисква промяна на температурата.

Приложения на материалите с памет на формата

СПФ и ППФ са намерили широк спектър от приложения в различни индустрии в световен мащаб:

Медицински приложения

• Стентове: Саморазширяващи се стентове, изработени от нитинол, се използват за отваряне на блокирани артерии и други съдове. Тези стентове се компресират до малък диаметър за поставяне и след това се разширяват до предварително зададената си форма вътре в тялото, осигурявайки подкрепа и възстановявайки кръвния поток. Компании по целия свят, включително в САЩ, Европа и Азия, произвеждат и разпространяват тези животоспасяващи устройства.
• Ортодонтски телове: Телове от СПФ се използват в брекети за прилагане на постоянна сила върху зъбите, като постепенно ги изправят. Тези телове осигуряват по-последователно и удобно лечение в сравнение с традиционните телове от неръждаема стомана.
• Хирургически инструменти: СПФ се използват в хирургически инструменти за минимално инвазивни процедури, позволявайки прецизна и контролирана манипулация вътре в тялото.
• Медицински импланти: СПФ се изследват за костна фиксация и други имплантируеми устройства.

Аерокосмически приложения

• Адаптивни крила: СПФ могат да се използват за създаване на адаптивни крила, които променят формата си по време на полет, за да оптимизират производителността и горивната ефективност. Boeing, Airbus и други аерокосмически компании активно изследват и развиват тази технология.
• Разгъваеми структури: СПФ могат да се използват за разгъване на структури в космоса, като слънчеви панели и антени. Компактната, сгъната структура може да бъде разгъната при достигане на желаното място чрез задействане на ефекта на памет на формата.
• Заглушаване на вибрации: СПФ могат да бъдат вградени в конструкциите на самолетите за заглушаване на вибрациите и намаляване на шума.

Автомобилни приложения

• Активни системи за окачване: СПФ могат да се използват в активни системи за окачване за подобряване на комфорта при возене и управляемостта.
• Клапани на двигателя: СПФ могат да се използват за управление на клапаните на двигателя, подобрявайки производителността на двигателя и горивната ефективност.
• Клапани за контрол на температурата: СПФ се използват в охладителни системи за регулиране на потока на охлаждащата течност в зависимост от температурата.

Потребителска електроника

• Рамки за очила: Рамките от СПФ са изключително гъвкави и могат да се върнат в първоначалната си форма дори след огъване или усукване.
• Антени за мобилни телефони: СПФ могат да се използват за създаване на прибиращи се антени, които автоматично се разгъват при нужда.

Роботика

• Задвижващи механизми: СПФ могат да се използват като задвижващи механизми в роботи, осигурявайки прецизно и контролирано движение. Малкият им размер и високото съотношение мощност/тегло ги правят подходящи за миниатюрни роботизирани системи.
• Мека роботика: ППФ са особено полезни в меката роботика, където се изискват гъвкави и деформируеми структури.

Какво представляват самовъзстановяващите се материали?

Самовъзстановяващите се материали са клас умни материали, които имат способността автономно да поправят повреди, като пукнатини или драскотини, като по този начин удължават живота си и подобряват надеждността си. Тази способност за самовъзстановяване имитира естествените лечебни процеси, открити в живите организми.

Видове механизми за самовъзстановяване

Самовъзстановяващите се материали използват различни механизми за постигане на самовъзстановяване:

• Капсулно базирано възстановяване: Този подход включва вграждане на микрокапсули, съдържащи възстановяващ агент, в материала. Когато пукнатина се разпространи и разкъса капсулите, възстановяващият агент се освобождава и запълва пукнатината, втвърдявайки се и поправяйки повредата.
• Съдови мрежи: Подобно на кръвоносните съдове в човешкото тяло, съдови мрежи могат да бъдат вградени в материалите, за да транспортират възстановяващи агенти до мястото на повредата.
• Присъщо възстановяване: Този подход разчита на присъщата способност на материала да се самовъзстановява чрез обратими химични връзки или молекулярно заплитане. Когато възникне повреда, тези връзки се разкъсват, но могат да се реформират спонтанно, затваряйки пукнатината.
• Обратими полимерни мрежи: Тези материали включват обратими химични връзки, които могат да се разкъсват и реформират под напрежение, позволявайки на материала да се адаптира към повреди и да се възстановява с течение на времето.
• Био-вдъхновено възстановяване: Изследователите черпят вдъхновение от биологични системи, като например способностите за самовъзстановяване на растения и животни, за да разработят нови самовъзстановяващи се материали.

Приложения на самовъзстановяващите се материали

Самовъзстановяващите се материали имат потенциала да революционизират различни индустрии чрез подобряване на издръжливостта, безопасността и устойчивостта на продуктите:

Покрития и бои

• Автомобилни покрития: Самовъзстановяващите се покрития могат да поправят малки драскотини и завихряния, запазвайки вида на автомобилите по-нов за по-дълго време. Големите автомобилни производители изследват и включват самовъзстановяващи се безцветни лакове в избрани модели в световен мащаб.
• Защитни покрития: Самовъзстановяващите се покрития могат да се използват за защита на конструкции от корозия и износване, удължавайки техния живот и намалявайки разходите за поддръжка.
• Морски покрития: Самовъзстановяващите се покрития могат да предотвратят растежа на морски организми по корпусите на корабите, намалявайки съпротивлението и подобрявайки горивната ефективност.

Строителни материали

• Самовъзстановяващ се бетон: В бетонните смеси се включват бактерии или други микроорганизми. Когато се образуват пукнатини, тези микроорганизми се активират и произвеждат калциев карбонат, който запълва пукнатините и поправя повредата. Тази технология се изследва и тества в различни инфраструктурни проекти по света за подобряване на издръжливостта и намаляване на поддръжката.
• Самовъзстановяващ се асфалт: Микрокапсули, съдържащи подмладяващи агенти, могат да се добавят към асфалта, за да поправят пукнатини и да удължат живота на пътищата.

Електроника

• Гъвкава електроника: Самовъзстановяващи се полимери могат да се използват за създаване на гъвкави и разтегливи електронни устройства, които могат да се самовъзстановяват след повреда. Това е особено важно за носимата електроника и сензорите.
• Батерии: Самовъзстановяващи се материали могат да се използват за подобряване на безопасността и живота на батериите чрез поправяне на пукнатини и предотвратяване на изтичане на електролит.

Аерокосмонавтика

• Конструкции на самолети: Самовъзстановяващи се материали могат да се използват за поправка на повреди по конструкциите на самолетите, като пукнатини във фюзелажа или крилата, подобрявайки безопасността и намалявайки разходите за поддръжка.
• Компоненти на космически апарати: Самовъзстановяващи се материали могат да се използват за защита на компонентите на космическите апарати от радиация и удари от микрометеорити, удължавайки живота им в суровата среда на космоса.

Текстил

• Самовъзстановяващи се тъкани: Самовъзстановяващи се покрития могат да се нанасят върху тъкани за поправка на разкъсвания и пробиви, удължавайки живота на дрехи и друг текстил. Това е особено полезно при защитно облекло и спортни дрехи.

Предизвикателства и бъдещи насоки

Въпреки че умните материали предлагат огромен потенциал, все още има няколко предизвикателства, които трябва да бъдат преодолени, преди да могат да бъдат широко възприети:

• Цена: Цената на производството на умни материали може да бъде висока, което ограничава използването им в някои приложения.
• Издръжливост: Издръжливостта на някои умни материали, особено на ППФ и самовъзстановяващите се материали, трябва да бъде подобрена, за да издържат на сурови условия на околната среда.
• Мащабируемост: Увеличаването на производството на умни материали, за да се отговори на промишленото търсене, може да бъде предизвикателство.
• Въздействие върху околната среда: Въздействието върху околната среда от производството и изхвърлянето на умни материали трябва да бъде внимателно разгледано.
• Дългосрочна производителност: Необходими са повече изследвания, за да се разбере дългосрочната производителност и надеждност на умните материали.

Въпреки тези предизвикателства, изследванията и разработките в областта на умните материали напредват бързо. Бъдещите насоки включват:

• Разработване на нови и подобрени умни материали с подобрени свойства и функционалности.
• Изследване на нови приложения на умни материали в нововъзникващи области като изкуствен интелект и биотехнологии.
• Подобряване на рентабилността и мащабируемостта на производството на умни материали.
• Разработване на устойчиви и екологично чисти умни материали.
• Интегриране на умни материали в ежедневни продукти за подобряване на тяхната производителност, издръжливост и устойчивост.

Глобални изследвания и разработки

Изследванията и разработките на умни материали са глобално усилие, със значителен принос от университети, изследователски институти и компании по целия свят. Държави като Съединените щати, Германия, Япония, Южна Корея, Китай и Обединеното кралство са водещи в тази област. Международните сътрудничества и споделянето на знания са от решаващо значение за ускоряване на разработването и внедряването на умни материали.

Заключение

Умните материали, включително материалите с памет на формата и самовъзстановяващите се материали, представляват промяна на парадигмата в материалознанието и инженерството. Тяхната способност да реагират на външни стимули и да се адаптират към променящите се условия отваря свят от възможности за иновации и технологичен напредък. Тъй като изследванията и разработките продължават да разширяват границите на възможното, можем да очакваме да видим още по-революционни приложения на умни материали през следващите години, които ще повлияят на индустриите и ще подобрят живота в световен мащаб. От медицински изделия до аерокосмически конструкции, умните материали са готови да играят решаваща роля в оформянето на бъдещето.