Viedie materiāli: Formas atmiņa un pašatjaunošanās — globāla perspektīva

Viedie materiāli, zināmi arī kā inteliģentie vai reaģējošie materiāli, ir izstrādāti, lai reaģētu uz ārējiem stimuliem, paredzamā veidā mainot savas īpašības vai funkcijas. Šie stimuli var būt temperatūra, gaisma, spiediens, elektriskie vai magnētiskie lauki un ķīmiskā vide. Šī pielāgošanās spēja padara tos neticami daudzpusīgus, ar pielietojumiem, kas aptver dažādas nozares visā pasaulē. Šajā bloga ierakstā tiks aplūkoti divi izcili viedo materiālu veidi: formas atmiņas materiāli un pašatjaunojoši materiāli.

Kas ir formas atmiņas materiāli?

Formas atmiņas materiāli (FAM) ir materiāli, kas spēj "atcerēties" savu sākotnējo formu un atgriezties tajā, pakļaujoties noteiktam stimulam, parasti temperatūrai. Šī ievērojamā īpašība rodas no fāžu pārvērtības materiāla kristāliskajā struktūrā.

Formas atmiņas materiālu veidi

• Formas atmiņas sakausējumi (FAS): Šie ir metāliski sakausējumi, visbiežāk niķeļa-titāna sakausējumi (NiTi), pazīstami arī kā Nitinols. FAS piemīt gan formas atmiņas efekts (FAE), gan superelastība.
• Formas atmiņas polimēri (FAP): Šie ir polimēru materiāli, kam piemīt līdzīga formas atmiņas uzvedība. FAP parasti ir vieglāki, lētāki un vieglāk apstrādājami nekā FAS, bet tiem parasti ir mazāki atjaunošanās spēki.

Formas atmiņas efekts

Formas atmiņas efekts balstās uz cietvielu fāžu pārvērtību starp divām kristāliskām struktūrām: martensītu (zemā temperatūrā) un austenītu (augstā temperatūrā). Kad FAS vai FAP ir tā martensīta fāzē, to var viegli deformēt. Tomēr, uzkarsējot virs tā pārvērtības temperatūras, tas atgriežas austenīta fāzē, atgūstot savu sākotnējo, iepriekš ieprogrammēto formu.

Iedomājieties, ka saliecat saspraudi, kas izgatavota no Nitinola. Tā paliks saliekta istabas temperatūrā. Tagad, ja jūs uzsildīsiet saspraudi ar matu fēnu, tā maģiski atgriezīsies savā sākotnējā taisnajā formā. Tas ir formas atmiņas efekts darbībā.

Superelastība

Dažiem FAS, īpaši temperatūrās, kas nedaudz pārsniedz to pārvērtības temperatūru, piemīt superelastība (pazīstama arī kā pseidoelastība). Šajā stāvoklī materiāls var izturēt ievērojamu deformāciju (līdz 8% NiTi gadījumā) un spontāni atgriezties sākotnējā formā, noņemot pielikto spriegumu. Tas atšķiras no formas atmiņas efekta, kam nepieciešama temperatūras maiņa.

Formas atmiņas materiālu pielietojumi

FAS un FAP ir atraduši plašu pielietojumu klāstu dažādās nozarēs visā pasaulē:

Medicīniskie pielietojumi

• Stenti: Pašizpletošie stenti, kas izgatavoti no Nitinola, tiek izmantoti, lai atvērtu bloķētas artērijas un citus asinsvadus. Šie stenti tiek saspiesti mazā diametrā ievietošanai un pēc tam ķermenī izplešas līdz savai iepriekš iestatītajai formai, nodrošinot atbalstu un atjaunojot asinsriti. Uzņēmumi visā pasaulē, tostarp ASV, Eiropā un Āzijā, ražo un izplata šīs dzīvību glābjošās ierīces.
• Ortodontiskās stieples: FAS stieples tiek izmantotas breketēs, lai pieliktu pastāvīgu spēku zobiem, pakāpeniski tos iztaisnojot. Šīs stieples nodrošina konsekventāku un ērtāku ārstēšanu salīdzinājumā ar tradicionālajām nerūsējošā tērauda stieplēm.
• Ķirurģiskie instrumenti: FAS tiek izmantoti ķirurģiskajos instrumentos minimāli invazīvām procedūrām, ļaujot veikt precīzu un kontrolētu manipulāciju ķermeņa iekšienē.
• Medicīniskie implanti: FAS tiek pētīti kaulu fiksācijai un citām implantējamām ierīcēm.

Kosmiskās aviācijas pielietojumi

• Adaptīvie spārni: FAS var izmantot, lai izveidotu adaptīvus spārnus, kas lidojuma laikā maina savu formu, lai optimizētu veiktspēju un degvielas efektivitāti. Boeing, Airbus un citi kosmiskās aviācijas uzņēmumi aktīvi pēta un attīsta šo tehnoloģiju.
• Izvēršamās konstrukcijas: FAS var izmantot, lai izvietotu konstrukcijas kosmosā, piemēram, saules paneļus un antenas. Kompaktā, salocītā konstrukcija var tikt izvērsta, sasniedzot vēlamo vietu, iedarbinot formas atmiņas efektu.
• Vibrāciju slāpēšana: FAS var iekļaut gaisa kuģu konstrukcijās, lai slāpētu vibrācijas un samazinātu troksni.

Automobiļu rūpniecības pielietojumi

• Aktīvās balstiekārtas sistēmas: FAS var izmantot aktīvās balstiekārtas sistēmās, lai uzlabotu braukšanas komfortu un vadāmību.
• Dzinēja vārsti: FAS var izmantot dzinēja vārstu kontrolei, uzlabojot dzinēja veiktspēju un degvielas efektivitāti.
• Temperatūras kontroles vārsti: FAS tiek izmantoti dzesēšanas sistēmās, lai regulētu dzesēšanas šķidruma plūsmu atkarībā no temperatūras.

Patērētāju elektronika

• Briļļu ietvari: FAS ietvari ir ļoti elastīgi un var atgriezties savā sākotnējā formā pat pēc saliekšanas vai sagriešanas.
• Mobilā telefona antenas: FAS var izmantot, lai izveidotu izbīdāmas antenas, kas automātiski izbīdās, kad nepieciešams.

Robotika

• Izpildmehānismi: FAS var izmantot kā izpildmehānismus robotos, nodrošinot precīzu un kontrolētu kustību. To mazais izmērs un augstā jaudas un svara attiecība padara tos piemērotus miniaturizētām robotu sistēmām.
• Mīkstā robotika: FAP ir īpaši noderīgi mīkstajā robotikā, kur nepieciešamas elastīgas un deformējamas struktūras.

Kas ir pašatjaunojoši materiāli?

Pašatjaunojoši materiāli ir viedo materiālu klase, kam piemīt spēja autonomi labot bojājumus, piemēram, plaisas vai skrāpējumus, tādējādi pagarinot to kalpošanas laiku un uzlabojot to uzticamību. Šī pašatjaunošanās spēja atdarina dabiskos dzīšanas procesus, kas sastopami dzīvos organismos.

Pašatjaunošanās mehānismu veidi

Pašatjaunojoši materiāli izmanto dažādus mehānismus, lai panāktu pašatjaunošanos:

• Kapsulu bāzes dzīšana: Šī pieeja ietver mikrokapsulu, kas satur dziedējošu vielu, iestrādāšanu materiālā. Kad plaisa izplatās un pārrauj kapsulas, dziedējošā viela tiek atbrīvota un aizpilda plaisu, sacietējot un novēršot bojājumu.
• Vaskulārie tīkli: Līdzīgi kā asinsvadiem cilvēka ķermenī, materiālos var iestrādāt vaskulāros tīklus, lai transportētu dziedējošās vielas uz bojājuma vietu.
• Iekšējā dzīšana: Šī pieeja balstās uz materiāla iedzimto spēju pašam sevi salabot, izmantojot atgriezeniskas ķīmiskās saites vai molekulāro sapīšanos. Kad rodas bojājums, šīs saites pārtrūkst, bet tās var spontāni atjaunoties, aizverot plaisu.
• Atgriezeniskie polimēru tīkli: Šajos materiālos ir iekļautas atgriezeniskas ķīmiskās saites, kas var pārtrūkt un atjaunoties zem sprieguma, ļaujot materiālam pielāgoties bojājumiem un laika gaitā sadzīt.
• Bioloģiski iedvesmota dzīšana: Pētnieki iedvesmojas no bioloģiskām sistēmām, piemēram, augu un dzīvnieku pašatjaunošanās spējām, lai izstrādātu jaunus pašatjaunojošus materiālus.

Pašatjaunojošo materiālu pielietojumi

Pašatjaunojošiem materiāliem ir potenciāls revolucionizēt dažādas nozares, uzlabojot produktu izturību, drošību un ilgtspējību:

Pārklājumi un krāsas

• Automobiļu pārklājumi: Pašatjaunojoši pārklājumi var salabot nelielus skrāpējumus un virpuļveida pēdas, saglabājot automašīnu izskatu jaunāku ilgāk. Lielākie autoražotāji pēta un iekļauj pašatjaunojošus caurspīdīgos pārklājumus atsevišķos modeļos visā pasaulē.
• Aizsargpārklājumi: Pašatjaunojošus pārklājumus var izmantot, lai aizsargātu konstrukcijas no korozijas un nodiluma, pagarinot to kalpošanas laiku un samazinot uzturēšanas izmaksas.
• Jūras pārklājumi: Pašatjaunojoši pārklājumi var novērst jūras organismu augšanu uz kuģu korpusiem, samazinot pretestību un uzlabojot degvielas efektivitāti.

Būvmateriāli

• Pašatjaunojošs betons: Betona maisījumos tiek iekļautas baktērijas vai citi mikroorganismi. Kad veidojas plaisas, šie mikroorganismi tiek aktivizēti un ražo kalcija karbonātu, kas aizpilda plaisas un novērš bojājumu. Šī tehnoloģija tiek pētīta un testēta dažādos infrastruktūras projektos visā pasaulē, lai uzlabotu izturību un samazinātu uzturēšanu.
• Pašatjaunojošs asfalts: Asfaltam var pievienot mikrokapsulas, kas satur atjaunojošas vielas, lai salabotu plaisas un pagarinātu ceļu kalpošanas laiku.

Elektronika

• Elastīgā elektronika: Pašatjaunojošus polimērus var izmantot, lai izveidotu elastīgas un stiepjamos elektroniskās ierīces, kas var pašas sevi salabot pēc bojājuma. Tas ir īpaši svarīgi valkājamai elektronikai un sensoriem.
• Baterijas: Pašatjaunojošus materiālus var izmantot, lai uzlabotu bateriju drošību un kalpošanas laiku, labojot plaisas un novēršot elektrolīta noplūdi.

Kosmiskā aviācija

• Gaisa kuģu konstrukcijas: Pašatjaunojošus materiālus var izmantot, lai salabotu gaisa kuģu konstrukciju bojājumus, piemēram, plaisas fizelāžā vai spārnos, uzlabojot drošību un samazinot uzturēšanas izmaksas.
• Kosmosa kuģu komponenti: Pašatjaunojošus materiālus var izmantot, lai aizsargātu kosmosa kuģu komponentus no radiācijas un mikrometeorīdu triecieniem, pagarinot to kalpošanas laiku skarbajā kosmosa vidē.

Tekstilizstrādājumi

• Pašatjaunojoši audumi: Pašatjaunojošus pārklājumus var uzklāt uz audumiem, lai salabotu plīsumus un caurumus, pagarinot apģērbu un citu tekstilizstrādājumu kalpošanas laiku. Tas ir īpaši noderīgi aizsargapģērbā un sporta apģērbā.

Izaicinājumi un nākotnes virzieni

Lai gan viedie materiāli piedāvā milzīgu potenciālu, joprojām ir vairāki izaicinājumi, kas jārisina, pirms tos var plaši ieviest:

• Izmaksas: Viedo materiālu ražošanas izmaksas var būt augstas, ierobežojot to izmantošanu dažos pielietojumos.
• Izturība: Dažu viedo materiālu, īpaši FAP un pašatjaunojošo materiālu, izturība ir jāuzlabo, lai tie spētu izturēt skarbus vides apstākļus.
• Mērogojamība: Viedo materiālu ražošanas apjoma palielināšana, lai apmierinātu rūpniecisko pieprasījumu, var būt izaicinājums.
• Ietekme uz vidi: Rūpīgi jāapsver viedo materiālu ražošanas un utilizācijas ietekme uz vidi.
• Ilgtermiņa veiktspēja: Ir nepieciešami vairāk pētījumu, lai izprastu viedo materiālu ilgtermiņa veiktspēju un uzticamību.

Neskatoties uz šiem izaicinājumiem, pētniecība un attīstība viedo materiālu jomā strauji attīstās. Nākotnes virzieni ietver:

• Jaunu un uzlabotu viedo materiālu izstrāde ar uzlabotām īpašībām un funkcionalitāti.
• Jaunu viedo materiālu pielietojumu izpēte jaunās jomās, piemēram, mākslīgajā intelektā un biotehnoloģijā.
• Viedo materiālu ražošanas izmaksu efektivitātes un mērogojamības uzlabošana.
• Ilgtspējīgu un videi draudzīgu viedo materiālu izstrāde.
• Viedo materiālu integrēšana ikdienas produktos, lai uzlabotu to veiktspēju, izturību un ilgtspējību.

Globālā pētniecība un attīstība

Viedo materiālu pētniecība un attīstība ir globāls process, kurā nozīmīgu ieguldījumu sniedz universitātes, pētniecības iestādes un uzņēmumi visā pasaulē. Tādas valstis kā Amerikas Savienotās Valstis, Vācija, Japāna, Dienvidkoreja, Ķīna un Apvienotā Karaliste ir vadošās šajā jomā. Starptautiskā sadarbība un zināšanu apmaiņa ir izšķiroša, lai paātrinātu viedo materiālu attīstību un ieviešanu.

Noslēgums

Viedie materiāli, tostarp formas atmiņas materiāli un pašatjaunojoši materiāli, pārstāv paradigmas maiņu materiālzinātnē un inženierzinātnēs. To spēja reaģēt uz ārējiem stimuliem un pielāgoties mainīgiem apstākļiem paver inovāciju un tehnoloģiskā progresa iespēju pasauli. Tā kā pētniecība un attīstība turpina paplašināt iespējamā robežas, mēs varam sagaidīt vēl vairāk revolucionāru viedo materiālu pielietojumu nākamajos gados, ietekmējot nozares un uzlabojot dzīves visā pasaulē. No medicīnas ierīcēm līdz kosmiskās aviācijas konstrukcijām, viedie materiāli ir gatavi spēlēt izšķirošu lomu nākotnes veidošanā.