Aql-idrokli materiallar: Shaklni eslab qolish va o'zini o'zi tiklash - Global istiqbol

Aql-idrokli materiallar, shuningdek, aqlli yoki sezgir materiallar deb ham ataladi, tashqi rag'batlantiruvchi omillarga javob berish uchun mo'ljallangan bo'lib, o'z xususiyatlari yoki funksiyalarini oldindan aytish mumkin bo'lgan tarzda o'zgartiradi. Ushbu rag'batlantiruvchi omillar harorat, yorug'lik, bosim, elektr yoki magnit maydonlari va kimyoviy muhitlarni o'z ichiga olishi mumkin. Bu moslashuvchanlik ularni nihoyatda ko'p qirrali qiladi, ularning qo'llanilishi butun dunyo bo'ylab turli sohalarni qamrab oladi. Ushbu blog posti aql-idrokli materiallarning ikki mashhur turini: shaklini eslab qoluvchi materiallar va o'zini o'zi tiklaydigan materiallarni chuqur o'rganadi.

Shaklni Eslab Qoluvchi Materiallar Nima?

Shaklni eslab qoluvchi materiallar (ShEM) o'zlarining asl shaklini "eslab qolishlari" va ma'lum bir stimulga, odatda haroratga duchor bo'lganda unga qaytishlari mumkin bo'lgan materiallardir. Ushbu ajoyib xususiyat materialning kristall tuzilishidagi faza o'zgarishidan kelib chiqadi.

Shaklni Eslab Qoluvchi Materiallarning Turlari

Shaklni Eslab Qoluvchi Qotishmalar (ShEQ): Bular metall qotishmalar bo'lib, eng ko'p tarqalgani nikel-titan qotishmalari (NiTi), shuningdek, Nitinol deb ham ataladi. ShEQlar ham shaklni eslab qolish effekti (ShEE), ham superelastiklikni namoyon etadi.
Shaklni Eslab Qoluvchi Polimerlar (ShEP): Bular o'xshash shaklni eslab qolish xususiyatini namoyon etuvchi polimer materiallardir. ShEPlar odatda yengilroq, arzonroq va ShEQlarga qaraganda qayta ishlash osonroq, lekin odatda pastroq tiklanish kuchiga ega.

Shaklni Eslab Qolish Effekti

Shaklni eslab qolish effekti ikki kristall tuzilma: martensit (past harorat) va austenit (yuqori harorat) o'rtasidagi qattiq holatdagi faza o'zgarishiga asoslangan. ShEQ yoki ShEP martensit fazasida bo'lganida, uni osongina deformatsiya qilish mumkin. Biroq, transformatsiya haroratidan yuqori qizdirilganda, u o'zining austenit fazasiga qaytadi va asl, oldindan dasturlashtirilgan shaklini tiklaydi.

Nitinoldan yasalgan qog'oz qisqichni (skrepka) bukib ko'ring. U xona haroratida egilgan holda qoladi. Endi, agar siz qisqichni fen bilan qizdirsangiz, u sehrli tarzda asl to'g'ri shakliga qaytadi. Bu amalda shaklni eslab qolish effektidir.

Superelastiklik

Ba'zi ShEQlar, ayniqsa transformatsiya haroratidan biroz yuqori haroratlarda, superelastiklikni (psevdoelastiklik deb ham ataladi) namoyon etadi. Bu holatda material sezilarli deformatsiyaga (NiTi uchun 8% gacha) uchrashi va qo'llanilgan kuchlanish olib tashlanganidan so'ng o'z-o'zidan asl shakliga qaytishi mumkin. Bu harorat o'zgarishini talab qiladigan shaklni eslab qolish effektidan farq qiladi.

Shaklni Eslab Qoluvchi Materiallarning Qo'llanilishi

ShEQ va ShEPlar butun dunyo bo'ylab turli sohalarda keng ko'lamli qo'llanilishga ega:

Tibbiy Qo'llanilishlar

Stentlar: Nitinoldan yasalgan o'zi kengayuvchi stentlar tiqilib qolgan arteriyalar va boshqa tomirlarni ochish uchun ishlatiladi. Ushbu stentlar kiritish uchun kichik diametrga siqiladi va keyin tana ichida oldindan belgilangan shakliga kengayib, qon oqimini tiklaydi va qo'llab-quvvatlaydi. AQSh, Yevropa va Osiyodagi kompaniyalar ushbu hayotni saqlab qoluvchi qurilmalarni ishlab chiqaradi va tarqatadi.
Ortodontik simlar: ShEQ simlari tishlarga doimiy kuch qo'llash va ularni asta-sekin to'g'rilash uchun breketlarda ishlatiladi. Ushbu simlar an'anaviy zanglamaydigan po'lat simlarga qaraganda izchil va qulayroq davolanishni ta'minlaydi.
Jarrohlik asboblari: ShEQlar minimal invaziv muolajalar uchun jarrohlik asboblarida qo'llaniladi, bu esa tana ichida aniq va nazoratli manipulyatsiyaga imkon beradi.
Tibbiy implantlar: ShEQlar suyaklarni mahkamlash va boshqa implantatsiya qilinadigan qurilmalar uchun o'rganilmoqda.

Aerokosmik Qo'llanilishlar

Moslashuvchan qanotlar: ShEQlar parvoz paytida samaradorlik va yoqilg'i tejamkorligini optimallashtirish uchun shaklini o'zgartiradigan moslashuvchan qanotlarni yaratishda ishlatilishi mumkin. Boeing, Airbus va boshqa aerokosmik kompaniyalar ushbu texnologiyani faol tadqiq qilmoqda va rivojlantirmoqda.
Ochiladigan konstruksiyalar: ShEQlar kosmosda quyosh panellari va antennalar kabi konstruksiyalarni ochish uchun ishlatilishi mumkin. Yig'ilgan, ixcham konstruksiya kerakli joyga yetib kelgach, shaklni eslab qolish effektini ishga tushirish orqali ochiladi.
Tebranishni so'ndirish: ShEQlar tebranishlarni so'ndirish va shovqinni kamaytirish uchun samolyot tuzilmalariga kiritilishi mumkin.

Avtomobilsozlikda Qo'llanilishi

Faol osma tizimlari: ShEQlar haydash qulayligi va boshqaruvni yaxshilash uchun faol osma tizimlarida qo'llanilishi mumkin.
Dvigatel klapanlari: ShEQlar dvigatel klapanlarini boshqarish, dvigatel unumdorligi va yoqilg'i tejamkorligini yaxshilash uchun ishlatilishi mumkin.
Haroratni nazorat qiluvchi klapanlar: ShEQlar sovutish tizimlarida haroratga qarab sovutuvchi suyuqlik oqimini tartibga solish uchun ishlatiladi.

Maishiy Elektronika

Ko'zoynak ramkalari: ShEQ ramkalari juda egiluvchan va egilgandan yoki burilgandan keyin ham asl shakliga qaytishi mumkin.
Mobil telefon antennalari: ShEQlar kerak bo'lganda avtomatik ravishda ochiladigan tortiladigan antennalarni yaratish uchun ishlatilishi mumkin.

Robototexnika

Aktuatorlar: ShEQlar robotlarda aktuator sifatida ishlatilishi mumkin, bu esa aniq va nazoratli harakatni ta'minlaydi. Ularning kichik o'lchami va yuqori quvvat-og'irlik nisbati ularni miniatyuralashtirilgan robot tizimlari uchun mos qiladi.
Yumshoq robototexnika: ShEPlar ayniqsa yumshoq robototexnikada foydalidir, bu yerda egiluvchan va deformatsiyalanadigan tuzilmalar talab qilinadi.

O'zini O'zi Tiklaydigan Materiallar Nima?

O'zini o'zi tiklaydigan materiallar - bu yoriqlar yoki tirnalishlar kabi shikastlanishlarni mustaqil ravishda tiklash qobiliyatiga ega bo'lgan aql-idrokli materiallar sinfi bo'lib, shu bilan ularning ishlash muddatini uzaytiradi va ishonchliligini oshiradi. Bu o'z-o'zini tiklash qobiliyati tirik organizmlarda uchraydigan tabiiy shifo jarayonlariga taqlid qiladi.

O'zini O'zi Tiklash Mexanizmlarining Turlari

O'zini o'zi tiklaydigan materiallar o'z-o'zini tiklashga erishish uchun turli mexanizmlardan foydalanadi:

Kapsulaga asoslangan tiklanish: Ushbu yondashuv material ichiga tiklovchi moddani o'z ichiga olgan mikrokapsulalarni joylashtirishni o'z ichiga oladi. Yoriq tarqalganda va kapsulalarni yorib yuborganda, tiklovchi modda ajralib chiqadi va yoriqni to'ldiradi, qotib, shikastni tiklaydi.
Qon-tomir tarmoqlari: Inson tanasidagi qon tomirlariga o'xshab, qon-tomir tarmoqlari tiklovchi moddalarni shikastlangan joyga tashish uchun materiallarga kiritilishi mumkin.
Ichki (tabiiy) tiklanish: Ushbu yondashuv materialning qaytar kimyoviy bog'lanishlar yoki molekulyar chalkashliklar orqali o'zini o'zi tiklash qobiliyatiga tayanadi. Shikastlanish sodir bo'lganda, bu bog'lanishlar uziladi, ammo ular o'z-o'zidan qayta shakllanib, yoriqni yopishi mumkin.
Qaytar polimer tarmoqlari: Ushbu materiallar stress ostida uzilishi va qayta shakllanishi mumkin bo'lgan qaytar kimyoviy bog'lanishlarni o'z ichiga oladi, bu esa materialning shikastlanishga moslashishiga va vaqt o'tishi bilan tiklanishiga imkon beradi.
Bio-ilhomlantirilgan tiklanish: Tadqiqotchilar o'simliklar va hayvonlarning o'zini o'zi tiklash qobiliyatlari kabi biologik tizimlardan ilhomlanib, yangi o'zini o'zi tiklaydigan materiallarni ishlab chiqmoqdalar.

O'zini O'zi Tiklaydigan Materiallarning Qo'llanilishi

O'zini o'zi tiklaydigan materiallar mahsulotlarning chidamliligi, xavfsizligi va barqarorligini oshirish orqali turli sohalarda inqilob qilish salohiyatiga ega:

Qoplamalar va Bo'yoqlar

Avtomobil qoplamalari: O'zini o'zi tiklaydigan qoplamalar kichik tirnalishlar va aylana izlarni tuzatib, avtomobillarning uzoqroq vaqt davomida yangidek ko'rinishini saqlab turishi mumkin. Yirik avtomobil ishlab chiqaruvchilari butun dunyo bo'ylab tanlangan modellarda o'zini o'zi tiklaydigan tiniq qoplamalarni o'rganmoqda va qo'llamoqda.
Himoya qoplamalari: O'zini o'zi tiklaydigan qoplamalar konstruksiyalarni korroziya va eskirishdan himoya qilish, ularning ishlash muddatini uzaytirish va texnik xizmat ko'rsatish xarajatlarini kamaytirish uchun ishlatilishi mumkin.
Dengiz qoplamalari: O'zini o'zi tiklaydigan qoplamalar kema korpuslarida dengiz organizmlarining o'sishini oldini olib, tortishish kuchini kamaytiradi va yoqilg'i tejamkorligini yaxshilaydi.

Qurilish Materiallari

O'zini o'zi tiklaydigan beton: Bakteriyalar yoki boshqa mikroorganizmlar beton aralashmalariga kiritiladi. Yoriqlar paydo bo'lganda, bu mikroorganizmlar faollashadi va kalsiy karbonat ishlab chiqaradi, bu esa yoriqlarni to'ldiradi va shikastni tiklaydi. Ushbu texnologiya chidamlilikni oshirish va texnik xizmat ko'rsatishni kamaytirish uchun butun dunyo bo'ylab turli infratuzilma loyihalarida tadqiq qilinmoqda va sinovdan o'tkazilmoqda.
O'zini o'zi tiklaydigan asfalt: Yoshartiruvchi moddalarni o'z ichiga olgan mikrokapsulalar yoriqlarni tuzatish va yo'llarning ishlash muddatini uzaytirish uchun asfaltga qo'shilishi mumkin.

Elektronika

Egiluvchan elektronika: O'zini o'zi tiklaydigan polimerlar shikastlangandan keyin o'zlarini tiklay oladigan egiluvchan va cho'ziluvchan elektron qurilmalarni yaratish uchun ishlatilishi mumkin. Bu ayniqsa taqiladigan elektronika va sensorlar uchun muhimdir.
Batareyalar: O'zini o'zi tiklaydigan materiallar yoriqlarni tuzatish va elektrolitlar oqishini oldini olish orqali batareyalarning xavfsizligi va ishlash muddatini yaxshilash uchun ishlatilishi mumkin.

Aerokosmik Soha

Samolyot tuzilmalari: O'zini o'zi tiklaydigan materiallar fyuzelyaj yoki qanotlardagi yoriqlar kabi samolyot tuzilmalaridagi shikastlanishlarni tuzatish, xavfsizlikni yaxshilash va texnik xizmat ko'rsatish xarajatlarini kamaytirish uchun ishlatilishi mumkin.
Kosmik kema komponentlari: O'zini o'zi tiklaydigan materiallar kosmik kema komponentlarini radiatsiya va mikrometeoroid zarbalaridan himoya qilish, ularning qattiq kosmik muhitda ishlash muddatini uzaytirish uchun ishlatilishi mumkin.

To'qimachilik

O'zini o'zi tiklaydigan matolar: O'zini o'zi tiklaydigan qoplamalar yirtiqlar va teshiklarni tuzatish, kiyim-kechak va boshqa to'qimachilik mahsulotlarining ishlash muddatini uzaytirish uchun matolarga qo'llanilishi mumkin. Bu ayniqsa himoya kiyimlari va sport kiyimlarida foydalidir.

Muammolar va Kelajakdagi Yo'nalishlar

Aql-idrokli materiallar ulkan salohiyatga ega bo'lsa-da, ularni keng miqyosda qo'llashdan oldin hal qilinishi kerak bo'lgan bir qancha muammolar mavjud:

Narx: Aqlli materiallarni ishlab chiqarish narxi yuqori bo'lishi mumkin, bu esa ularning ba'zi qo'llanilishlarda ishlatilishini cheklaydi.
Chidamlilik: Ba'zi aqlli materiallarning, xususan, ShEP va o'zini o'zi tiklaydigan materiallarning chidamliligini og'ir atrof-muhit sharoitlariga bardosh berish uchun yaxshilash kerak.
Masshtablashtirish: Sanoat talabini qondirish uchun aqlli materiallar ishlab chiqarishni kengaytirish qiyin bo'lishi mumkin.
Atrof-muhitga ta'siri: Aqlli materiallarni ishlab chiqarish va utilizatsiya qilishning atrof-muhitga ta'sirini diqqat bilan ko'rib chiqish kerak.
Uzoq muddatli samaradorlik: Aqlli materiallarning uzoq muddatli samaradorligi va ishonchliligini tushunish uchun ko'proq tadqiqotlar talab etiladi.

Ushbu qiyinchiliklarga qaramay, aqlli materiallar sohasidagi tadqiqotlar va ishlanmalar jadal rivojlanmoqda. Kelajakdagi yo'nalishlar quyidagilarni o'z ichiga oladi:

Yaxshilangan xususiyatlar va funksionalliklarga ega yangi va takomillashtirilgan aqlli materiallarni ishlab chiqish.
Sun'iy intellekt va biotexnologiya kabi rivojlanayotgan sohalarda aqlli materiallarning yangi qo'llanilishlarini o'rganish.
Aqlli materiallar ishlab chiqarishning iqtisodiy samaradorligi va masshtablashtirilishini yaxshilash.
Barqaror va ekologik toza aqlli materiallarni ishlab chiqish.
Ularning samaradorligi, chidamliligi va barqarorligini yaxshilash uchun aqlli materiallarni kundalik mahsulotlarga integratsiya qilish.

Global Tadqiqotlar va Ishlanmalar

Aqlli materiallarni tadqiq qilish va ishlab chiqish global sa'y-harakat bo'lib, butun dunyodagi universitetlar, tadqiqot institutlari va kompaniyalar tomonidan salmoqli hissa qo'shilmoqda. Qo'shma Shtatlar, Germaniya, Yaponiya, Janubiy Koreya, Xitoy va Buyuk Britaniya kabi mamlakatlar bu sohada yetakchilik qilmoqda. Xalqaro hamkorlik va bilim almashish aqlli materiallarni ishlab chiqish va joriy etishni tezlashtirish uchun juda muhimdir.

Xulosa

Aql-idrokli materiallar, jumladan, shaklni eslab qoluvchi materiallar va o'zini o'zi tiklaydigan materiallar, materialshunoslik va muhandislikda paradigma o'zgarishini anglatadi. Ularning tashqi rag'batlantiruvchi omillarga javob berish va o'zgaruvchan sharoitlarga moslashish qobiliyati innovatsiyalar va texnologik taraqqiyot uchun cheksiz imkoniyatlar dunyosini ochadi. Tadqiqotlar va ishlanmalar imkoniyatlar chegarasini kengaytirishda davom etar ekan, kelgusi yillarda aqlli materiallarning yanada ko'proq inqilobiy qo'llanilishlarini, sanoatga ta'sir qilishini va butun dunyo bo'ylab hayotni yaxshilashini kutishimiz mumkin. Tibbiy asboblardan aerokosmik konstruksiyalargacha, aqlli materiallar kelajakni shakllantirishda hal qiluvchi rol o'ynashga tayyor.