Nutikad materjalid: kujumälu ja iseparanevus – globaalne vaade

Nutikad materjalid, tuntud ka kui intelligentsed või reageerivad materjalid, on loodud reageerima välistele stiimulitele, muutes oma omadusi või funktsioone prognoositaval viisil. Nendeks stiimuliteks võivad olla temperatuur, valgus, rõhk, elektri- või magnetväljad ja keemilised keskkonnad. See kohanemisvõime muudab need uskumatult mitmekülgseks, leides rakendust erinevates tööstusharudes üle maailma. See blogipostitus süveneb kahte silmapaistvasse nutikate materjalide tüüpi: kujumäluga materjalid ja iseparanevad materjalid.

Mis on kujumäluga materjalid?

Kujumäluga materjalid (ingl k SMMs) on materjalid, mis suudavad „mäletada“ oma esialgset kuju ja naasta selle juurde, kui neile rakendatakse spetsiifilist stiimulit, tavaliselt temperatuuri. See märkimisväärne omadus tuleneb faasimuutusest materjali kristallstruktuuris.

Kujumäluga materjalide tüübid

• Kujumälusulamid (SMA-d): Need on metallisulamid, kõige sagedamini nikli-titaani sulamid (NiTi), tuntud ka kui Nitinol. SMA-del on nii kujumälu efekt (ingl k SME) kui ka superelastsus.
• Kujumälupolümeerid (SMP-d): Need on polümeersed materjalid, millel on sarnane kujumälu käitumine. SMP-d on üldiselt kergemad, odavamad ja kergemini töödeldavad kui SMA-d, kuid neil on tavaliselt madalamad taastumisjõud.

Kujumälu efekt

Kujumälu efekt põhineb tahkisfaasi muutusel kahe kristallstruktuuri vahel: martensiit (madal temperatuur) ja austeniit (kõrge temperatuur). Kui SMA või SMP on oma martensiitses faasis, saab seda kergesti deformeerida. Kuid kui seda kuumutatakse üle selle muundumistemperatuuri, pöördub see tagasi oma austeniitsesse faasi, taastades oma algse, eelprogrammeeritud kuju.

Kujutage ette Nitinolist tehtud kirjaklambri painutamist. See jääb toatemperatuuril painutatuks. Nüüd, kui kuumutate kirjaklambrit fööniga, naaseb see võluväel oma algsesse sirgesse kuju. See ongi kujumälu efekt tegevuses.

Superelastsus

Mõned SMA-d, eriti temperatuuridel, mis on veidi kõrgemad nende muundumistemperatuurist, ilmutavad superelastsust (tuntud ka kui pseudoelastsus). Selles olekus võib materjal läbida märkimisväärse deformatsiooni (kuni 8% NiTi puhul) ja naasta spontaanselt oma algsesse kuju pärast rakendatud pinge eemaldamist. See erineb kujumälu efektist, mis nõuab temperatuurimuutust.

Kujumäluga materjalide rakendused

SMA-d ja SMP-d on leidnud laialdast rakendust erinevates tööstusharudes üle maailma:

Meditsiinilised rakendused

• Stendid: Nitinolist valmistatud iselaienevaid stente kasutatakse ummistunud arterite ja muude veresoonte avamiseks. Need stendid surutakse sisestamiseks väikese läbimõõduni ja laienevad seejärel kehas oma eelseadistatud kujuni, pakkudes tuge ja taastades verevoolu. Ettevõtted üle maailma, sealhulgas USA-s, Euroopas ja Aasias, toodavad ja levitavad neid elupäästvaid seadmeid.
• Ortodontilised traadid: SMA-traate kasutatakse breketites, et rakendada hammastele pidevat jõudu, sirgendades neid järk-järgult. Need traadid pakuvad ühtlasemat ja mugavamat ravi võrreldes traditsiooniliste roostevabast terasest traatidega.
• Kirurgilised instrumendid: SMA-sid kasutatakse kirurgilistes instrumentides minimaalselt invasiivsete protseduuride jaoks, võimaldades täpset ja kontrollitud manipuleerimist keha sees.
• Meditsiinilised implantaadid: SMA-sid uuritakse luu fikseerimiseks ja muudeks siirdatavateks seadmeteks.

Lennundus- ja kosmoserakendused

• Adaptiivsed tiivad: SMA-sid saab kasutada adaptiivsete tiibade loomiseks, mis muudavad oma kuju lennu ajal, et optimeerida jõudlust ja kütusesäästlikkust. Boeing, Airbus ja teised lennundus- ja kosmoseettevõtted uurivad ja arendavad aktiivselt seda tehnoloogiat.
• Lahtipakitavad struktuurid: SMA-sid saab kasutada struktuuride, näiteks päikesepaneelide ja antennide, lahtipakkimiseks kosmoses. Kompaktse, kokkuvolditud struktuuri saab lahti pakkida soovitud asukohta jõudmisel, käivitades kujumälu efekti.
• Vibratsiooni summutamine: SMA-sid saab lisada lennukistruktuuridesse vibratsiooni summutamiseks ja müra vähendamiseks.

Autorakendused

• Aktiivsed vedrustussüsteemid: SMA-sid saab kasutada aktiivsetes vedrustussüsteemides sõidumugavuse ja juhitavuse parandamiseks.
• Mootoriklapid: SMA-sid saab kasutada mootoriklappide juhtimiseks, parandades mootori jõudlust ja kütusesäästlikkust.
• Temperatuuri reguleerimisventiilid: SMA-sid kasutatakse jahutussüsteemides jahutusvedeliku voolu reguleerimiseks temperatuuri alusel.

Tarbeelektroonika

• Prilliraamid: SMA-raamid on väga paindlikud ja suudavad naasta oma algsesse kuju isegi pärast painutamist või väänamist.
• Mobiiltelefonide antennid: SMA-sid saab kasutada sissetõmmatavate antennide loomiseks, mis vajadusel automaatselt välja ulatuvad.

Robootika

• Aktuaatorid: SMA-sid saab kasutada robotites aktuaatoritena, pakkudes täpset ja kontrollitud liikumist. Nende väike suurus ja suur võimsuse ja kaalu suhe muudavad need sobivaks miniatuursetele robotsüsteemidele.
• Pehme robootika: SMP-d on eriti kasulikud pehmes robootikas, kus on vaja paindlikke ja deformeeruvaid struktuure.

Mis on iseparanevad materjalid?

Iseparanevad materjalid on nutikate materjalide klass, millel on võime iseseisvalt parandada kahjustusi, näiteks pragusid või kriimustusi, pikendades seeläbi nende eluiga ja parandades nende töökindlust. See iseparanemisvõime jäljendab elusorganismides leiduvaid looduslikke paranemisprotsesse.

Iseparanemise mehhanismide tüübid

Iseparanevad materjalid kasutavad iseparanemise saavutamiseks erinevaid mehhanisme:

• Kapslipõhine paranemine: See lähenemine hõlmab mikrokapslite, mis sisaldavad parandavat ainet, manustamist materjali sisse. Kui pragu levib ja purustab kapslid, vabaneb parandav aine ja täidab prao, tahkudes ja parandades kahjustuse.
• Vaskulaarsed võrgustikud: Sarnaselt inimkeha veresoontega saab materjalidesse lisada vaskulaarseid võrgustikke, et transportida parandavaid aineid kahjustuse kohta.
• Sisemine paranemine: See lähenemine tugineb materjali kaasasündinud võimele ennast parandada pöörduvate keemiliste sidemete või molekulaarse takerdumise kaudu. Kahjustuse tekkimisel need sidemed katkevad, kuid võivad spontaanselt uuesti moodustuda, sulgedes prao.
• Pöörduvad polümeervõrgustikud: Need materjalid sisaldavad pöörduvaid keemilisi sidemeid, mis võivad pinge all katkeda ja uuesti moodustuda, võimaldades materjalil kahjustustega kohaneda ja aja jooksul paraneda.
• Biolooogiast inspireeritud paranemine: Teadlased ammutavad inspiratsiooni bioloogilistest süsteemidest, näiteks taimede ja loomade iseparanemisvõimest, et arendada uusi iseparanevaid materjale.

Iseparanevate materjalide rakendused

Iseparanevatel materjalidel on potentsiaal revolutsioneerida erinevaid tööstusharusid, parandades toodete vastupidavust, ohutust ja jätkusuutlikkust:

Katted ja värvid

• Autode katted: Iseparanevad katted suudavad parandada väiksemaid kriimustusi ja keerisejälgi, hoides autod kauem uuemana. Suured autotootjad uurivad ja lisavad iseparanevaid läbipaistvaid lakke valitud mudelitele üle maailma.
• Kaitsekatted: Iseparanevaid katteid saab kasutada struktuuride kaitsmiseks korrosiooni ja kulumise eest, pikendades nende eluiga ja vähendades hoolduskulusid.
• Laevakatted: Iseparanevad katted võivad takistada mereorganismide kasvu laevakeredel, vähendades takistust ja parandades kütusesäästlikkust.

Ehitusmaterjalid

• Iseparanev betoon: Betoonisegudesse lisatakse baktereid või muid mikroorganisme. Kui tekivad praod, aktiveeruvad need mikroorganismid ja toodavad kaltsiumkarbonaati, mis täidab praod ja parandab kahjustuse. Seda tehnoloogiat uuritakse ja katsetatakse erinevates infrastruktuuriprojektides üle maailma, et suurendada vastupidavust ja vähendada hooldust.
• Iseparanev asfalt: Asfaldile saab lisada noorendajaid sisaldavaid mikrokapsleid, et parandada pragusid ja pikendada teede eluiga.

Elektroonika

• Paindlik elektroonika: Iseparanevaid polümeere saab kasutada paindlike ja venitatavate elektroonikaseadmete loomiseks, mis suudavad end pärast kahjustumist ise parandada. See on eriti oluline kantava elektroonika ja andurite jaoks.
• Akud: Iseparanevaid materjale saab kasutada akude ohutuse ja eluea parandamiseks, parandades pragusid ja vältides elektrolüüdi lekkimist.

Lennundus ja kosmos

• Lennukistruktuurid: Iseparanevaid materjale saab kasutada lennukistruktuuride kahjustuste, näiteks pragude keres või tiibades, parandamiseks, parandades ohutust ja vähendades hoolduskulusid.
• Kosmoselaevade komponendid: Iseparanevaid materjale saab kasutada kosmoselaevade komponentide kaitsmiseks kiirguse ja mikrometeoriitide mõjude eest, pikendades nende eluiga karmis kosmosekeskkonnas.

Tekstiilid

• Iseparanevad kangad: Iseparanevaid katteid saab kanda kangastele, et parandada rebendeid ja torkeid, pikendades riiete ja muude tekstiilide eluiga. See on eriti kasulik kaitseriietuses ja spordirõivastuses.

Väljakutsed ja tulevikusuunad

Kuigi nutikad materjalid pakuvad tohutut potentsiaali, on siiski mitmeid väljakutseid, mis tuleb lahendada enne nende laialdast kasutuselevõttu:

• Maksumus: Nutikate materjalide tootmiskulud võivad olla kõrged, piirates nende kasutamist mõnedes rakendustes.
• Vastupidavus: Mõnede nutikate materjalide, eriti SMP-de ja iseparanevate materjalide, vastupidavust tuleb parandada, et taluda karme keskkonnatingimusi.
• Skaleeritavus: Nutikate materjalide tootmise laiendamine tööstusliku nõudluse rahuldamiseks võib olla keeruline.
• Keskkonnamõju: Nutikate materjalide tootmise ja kõrvaldamise keskkonnamõju tuleb hoolikalt kaaluda.
• Pikaajaline jõudlus: Nutikate materjalide pikaajalise jõudluse ja töökindluse mõistmiseks on vaja rohkem uuringuid.

Nendele väljakutsetele vaatamata edeneb nutikate materjalide valdkonna teadus- ja arendustegevus kiiresti. Tulevikusuunad hõlmavad:

• Uute ja täiustatud nutikate materjalide arendamine, millel on paremad omadused ja funktsionaalsus.
• Nutikate materjalide uute rakenduste uurimine arenevates valdkondades, nagu tehisintellekt ja biotehnoloogia.
• Nutikate materjalide tootmise kulutõhususe ja skaleeritavuse parandamine.
• Jätkusuutlike ja keskkonnasõbralike nutikate materjalide arendamine.
• Nutikate materjalide integreerimine igapäevatoodetesse, et parandada nende jõudlust, vastupidavust ja jätkusuutlikkust.

Ülemaailmne teadus- ja arendustegevus

Nutikate materjalide teadus- ja arendustegevus on ülemaailmne pingutus, millele annavad olulise panuse ülikoolid, uurimisasutused ja ettevõtted üle maailma. Riigid nagu Ameerika Ühendriigid, Saksamaa, Jaapan, Lõuna-Korea, Hiina ja Ühendkuningriik on selles valdkonnas teejuhid. Rahvusvaheline koostöö ja teadmiste jagamine on nutikate materjalide arendamise ja kasutuselevõtu kiirendamiseks üliolulised.

Kokkuvõte

Nutikad materjalid, sealhulgas kujumäluga materjalid ja iseparanevad materjalid, kujutavad endast paradigma muutust materjaliteaduses ja inseneriteaduses. Nende võime reageerida välistele stiimulitele ja kohaneda muutuvate tingimustega avab innovatsiooni ja tehnoloogilise arengu jaoks terve maailma võimalusi. Kuna teadus- ja arendustegevus jätkab võimaliku piiride nihutamist, võime oodata lähiaastatel veelgi murrangulisemaid nutikate materjalide rakendusi, mis mõjutavad tööstusharusid ja parandavad elusid kogu maailmas. Alates meditsiiniseadmetest kuni lennundus- ja kosmosestruktuurideni on nutikad materjalid valmis mängima tuleviku kujundamisel otsustavat rolli.