Умные материалы: с памятью формы и самовосстанавливающиеся — глобальная перспектива

Умные материалы, также известные как интеллектуальные или адаптивные материалы, созданы для реагирования на внешние стимулы, предсказуемым образом изменяя свои свойства или функции. Этими стимулами могут быть температура, свет, давление, электрические или магнитные поля и химическая среда. Такая адаптируемость делает их невероятно универсальными, с применениями, охватывающими различные отрасли по всему миру. В этой статье мы подробно рассмотрим два выдающихся типа умных материалов: материалы с памятью формы и самовосстанавливающиеся материалы.

Что такое материалы с памятью формы?

Материалы с памятью формы (МПФ) — это материалы, которые могут «помнить» свою первоначальную форму и возвращаться к ней под воздействием определенного стимула, обычно температуры. Это замечательное свойство возникает из-за фазового превращения в кристаллической структуре материала.

Типы материалов с памятью формы

• Сплавы с памятью формы (СПФ): Это металлические сплавы, чаще всего сплавы никеля и титана (NiTi), также известные как нитинол. СПФ проявляют как эффект памяти формы (ЭПФ), так и сверхэластичность.
• Полимеры с памятью формы (ППФ): Это полимерные материалы, которые демонстрируют схожее поведение памяти формы. ППФ, как правило, легче, дешевле и проще в обработке, чем СПФ, но обычно имеют меньшие усилия восстановления.

Эффект памяти формы

Эффект памяти формы основан на твердофазном фазовом переходе между двумя кристаллическими структурами: мартенситом (низкая температура) и аустенитом (высокая температура). Когда СПФ или ППФ находится в мартенситной фазе, его можно легко деформировать. Однако при нагревании выше температуры превращения он возвращается в аустенитную фазу, восстанавливая свою первоначальную, предварительно запрограммированную форму.

Представьте, что вы сгибаете скрепку из нитинола. При комнатной температуре она останется согнутой. Теперь, если вы нагреете скрепку феном, она волшебным образом вернется в свою первоначальную прямую форму. Это и есть эффект памяти формы в действии.

Сверхэластичность

Некоторые СПФ, особенно при температурах немного выше их температуры превращения, проявляют сверхэластичность (также известную как псевдоэластичность). В этом состоянии материал может подвергаться значительной деформации (до 8% для NiTi) и самопроизвольно возвращаться к своей первоначальной форме после снятия приложенного напряжения. Это отличается от эффекта памяти формы, который требует изменения температуры.

Применение материалов с памятью формы

СПФ и ППФ нашли широкий спектр применений в различных отраслях по всему миру:

Медицинские применения

• Стенты: Саморасширяющиеся стенты из нитинола используются для открытия заблокированных артерий и других сосудов. Эти стенты сжимаются до малого диаметра для введения, а затем расширяются до заданной формы внутри тела, обеспечивая поддержку и восстанавливая кровоток. Компании по всему миру, в том числе в США, Европе и Азии, производят и распространяют эти спасающие жизнь устройства.
• Ортодонтические дуги: Проволока из СПФ используется в брекетах для приложения постоянной силы к зубам, постепенно выравнивая их. Эти дуги обеспечивают более последовательное и комфортное лечение по сравнению с традиционными дугами из нержавеющей стали.
• Хирургические инструменты: СПФ используются в хирургических инструментах для минимально инвазивных процедур, обеспечивая точное и контролируемое манипулирование внутри тела.
• Медицинские имплантаты: СПФ исследуются для фиксации костей и других имплантируемых устройств.

Аэрокосмические применения

• Адаптивные крылья: СПФ могут использоваться для создания адаптивных крыльев, которые изменяют свою форму в полете для оптимизации производительности и топливной эффективности. Boeing, Airbus и другие аэрокосмические компании активно исследуют и разрабатывают эту технологию.
• Развертываемые конструкции: СПФ могут использоваться для развертывания конструкций в космосе, таких как солнечные панели и антенны. Компактная, сложенная структура может быть развернута по достижении желаемого места путем запуска эффекта памяти формы.
• Демпфирование вибраций: СПФ могут быть встроены в конструкции самолетов для гашения вибраций и снижения шума.

Автомобильные применения

• Активные системы подвески: СПФ могут использоваться в активных системах подвески для улучшения комфорта при езде и управляемости.
• Клапаны двигателя: СПФ могут использоваться для управления клапанами двигателя, улучшая его производительность и топливную эффективность.
• Клапаны контроля температуры: СПФ используются в системах охлаждения для регулирования потока охлаждающей жидкости в зависимости от температуры.

Потребительская электроника

• Оправы для очков: Оправы из СПФ очень гибкие и могут возвращаться в свою первоначальную форму даже после сгибания или скручивания.
• Антенны для мобильных телефонов: СПФ могут использоваться для создания выдвижных антенн, которые автоматически выдвигаются при необходимости.

Робототехника

• Приводы: СПФ могут использоваться в качестве приводов (актуаторов) в роботах, обеспечивая точное и контролируемое движение. Их малый размер и высокое соотношение мощности к весу делают их подходящими для миниатюрных роботизированных систем.
• Мягкая робототехника: ППФ особенно полезны в мягкой робототехнике, где требуются гибкие и деформируемые конструкции.

Что такое самовосстанавливающиеся материалы?

Самовосстанавливающиеся материалы — это класс умных материалов, которые обладают способностью автономно восстанавливать повреждения, такие как трещины или царапины, тем самым продлевая срок их службы и повышая надежность. Эта способность к самовосстановлению имитирует естественные процессы заживления, встречающиеся в живых организмах.

Типы механизмов самовосстановления

Самовосстанавливающиеся материалы используют различные механизмы для достижения самовосстановления:

• Капсульное восстановление: Этот подход включает в себя встраивание микрокапсул, содержащих восстанавливающий агент, в материал. Когда трещина распространяется и разрывает капсулы, восстанавливающий агент высвобождается, заполняет трещину, затвердевает и устраняет повреждение.
• Сосудистые сети: Подобно кровеносным сосудам в человеческом теле, сосудистые сети могут быть встроены в материалы для транспортировки восстанавливающих агентов к месту повреждения.
• Внутреннее восстановление: Этот подход основан на врожденной способности материала к самовосстановлению через обратимые химические связи или молекулярное переплетение. При повреждении эти связи разрываются, но могут спонтанно восстанавливаться, закрывая трещину.
• Обратимые полимерные сети: Эти материалы включают обратимые химические связи, которые могут разрываться и восстанавливаться под напряжением, позволяя материалу адаптироваться к повреждениям и заживать со временем.
• Биоинспирированное восстановление: Исследователи черпают вдохновение в биологических системах, таких как способности растений и животных к самовосстановлению, для разработки новых самовосстанавливающихся материалов.

Применение самовосстанавливающихся материалов

Самовосстанавливающиеся материалы обладают потенциалом для революционных изменений в различных отраслях за счет повышения долговечности, безопасности и устойчивости продуктов:

Покрытия и краски

• Автомобильные покрытия: Самовосстанавливающиеся покрытия могут устранять мелкие царапины и 'паутинку', сохраняя внешний вид автомобилей новым дольше. Крупные мировые автопроизводители исследуют и внедряют самовосстанавливающиеся прозрачные лаки на некоторых моделях.
• Защитные покрытия: Самовосстанавливающиеся покрытия могут использоваться для защиты конструкций от коррозии и износа, продлевая их срок службы и снижая затраты на обслуживание.
• Морские покрытия: Самовосстанавливающиеся покрытия могут предотвращать рост морских организмов на корпусах судов, уменьшая сопротивление и улучшая топливную эффективность.

Строительные материалы

• Самовосстанавливающийся бетон: Бактерии или другие микроорганизмы вводятся в бетонные смеси. При образовании трещин эти микроорганизмы активируются и производят карбонат кальция, который заполняет трещины и устраняет повреждения. Эта технология исследуется и тестируется в различных инфраструктурных проектах по всему миру для повышения долговечности и сокращения обслуживания.
• Самовосстанавливающийся асфальт: Микрокапсулы, содержащие омолаживающие вещества, могут добавляться в асфальт для ремонта трещин и продления срока службы дорог.

Электроника

• Гибкая электроника: Самовосстанавливающиеся полимеры могут использоваться для создания гибких и растягиваемых электронных устройств, которые могут самовосстанавливаться после повреждения. Это особенно важно для носимой электроники и датчиков.
• Батареи: Самовосстанавливающиеся материалы могут использоваться для повышения безопасности и срока службы батарей путем ремонта трещин и предотвращения утечки электролита.

Аэрокосмическая отрасль

• Конструкции летательных аппаратов: Самовосстанавливающиеся материалы могут использоваться для ремонта повреждений конструкций летательных аппаратов, таких как трещины в фюзеляже или крыльях, повышая безопасность и снижая затраты на обслуживание.
• Компоненты космических аппаратов: Самовосстанавливающиеся материалы могут использоваться для защиты компонентов космических аппаратов от радиации и ударов микрометеороидов, продлевая их срок службы в суровых условиях космоса.

Текстиль

• Самовосстанавливающиеся ткани: Самовосстанавливающиеся покрытия могут наноситься на ткани для ремонта разрывов и проколов, продлевая срок службы одежды и других текстильных изделий. Это особенно полезно в защитной одежде и спортивной одежде.

Проблемы и будущие направления

Хотя умные материалы обладают огромным потенциалом, все еще существует несколько проблем, которые необходимо решить, прежде чем они смогут получить широкое распространение:

• Стоимость: Стоимость производства умных материалов может быть высокой, что ограничивает их использование в некоторых областях применения.
• Долговечность: Долговечность некоторых умных материалов, особенно ППФ и самовосстанавливающихся материалов, необходимо улучшить для выдерживания суровых условий окружающей среды.
• Масштабируемость: Масштабирование производства умных материалов для удовлетворения промышленного спроса может быть сложной задачей.
• Воздействие на окружающую среду: Необходимо тщательно учитывать воздействие производства и утилизации умных материалов на окружающую среду.
• Долгосрочная производительность: Необходимо больше исследований, чтобы понять долгосрочную производительность и надежность умных материалов.

Несмотря на эти проблемы, исследования и разработки в области умных материалов быстро продвигаются. Будущие направления включают:

• Разработку новых и усовершенствованных умных материалов с улучшенными свойствами и функциональностью.
• Исследование новых применений умных материалов в развивающихся областях, таких как искусственный интеллект и биотехнологии.
• Повышение экономической эффективности и масштабируемости производства умных материалов.
• Разработку устойчивых и экологически чистых умных материалов.
• Интеграцию умных материалов в повседневные продукты для улучшения их производительности, долговечности и устойчивости.

Глобальные исследования и разработки

Исследования и разработки в области умных материалов — это глобальные усилия, в которые вносят значительный вклад университеты, исследовательские институты и компании по всему миру. Такие страны, как США, Германия, Япония, Южная Корея, Китай и Великобритания, лидируют в этой области. Международное сотрудничество и обмен знаниями имеют решающее значение для ускорения разработки и внедрения умных материалов.

Заключение

Умные материалы, включая материалы с памятью формы и самовосстанавливающиеся материалы, представляют собой сдвиг парадигмы в материаловедении и инженерии. Их способность реагировать на внешние стимулы и адаптироваться к изменяющимся условиям открывает мир возможностей для инноваций и технологического прогресса. По мере того как исследования и разработки продолжают расширять границы возможного, мы можем ожидать появления еще более революционных применений умных материалов в ближайшие годы, которые будут влиять на отрасли и улучшать жизнь людей во всем мире. От медицинских устройств до аэрокосмических конструкций — умные материалы готовы сыграть решающую роль в формировании будущего.