Morphing y materiales de autocuración.


Imagen ampliada de microcápsulas de gel de sílice en un polímero autorreparable.

Los "materiales no convencionales" son una de las direcciones más importantes del desarrollo tecnológico en las industrias militar y aeroespacial. Los materiales deben hacer más que simplemente servir como una estructura de soporte, deben ser materiales "inteligentes".


Los materiales inteligentes son una clase especial de materiales que tienen la capacidad de funcionar como un actuador y como un sensor, proporcionando las deformaciones mecánicas necesarias asociadas con los cambios de temperatura, corriente eléctrica o campo magnético. Dado que los materiales compuestos constan de más de un material, y gracias al progreso tecnológico moderno, hoy es posible incluir otros materiales (o estructuras) en el proceso de proporcionar funcionalidad integrada en áreas tales como:
- Morph,
- Autocuración,
- percepción,
- Protección contra rayos, y
- Acumulación de energía.
En este artículo nos centraremos en las dos primeras áreas.

Materiales de transformación y estructuras de transformación.

Los materiales de transformación son aquellos que, siguiendo las señales de entrada, cambian sus parámetros geométricos y que son capaces de restaurar su forma original cuando cesan las señales externas.

Debido a su reacción en forma de un cambio en la forma, estos materiales se utilizan como actuadores, pero también se pueden usar de manera opuesta, es decir, como sensores en los que la influencia externa aplicada al material se transforma en una señal. Las aplicaciones aeroespaciales de estos materiales son diversas: sensores, actuadores, interruptores en instalaciones y equipos eléctricos, aviónica y conexiones en sistemas hidráulicos. Las ventajas son: fiabilidad excepcional, larga vida útil, sin fugas, bajos costos de instalación y una reducción significativa en el mantenimiento. En particular, entre los actuadores hechos de materiales de transformación y aleaciones con memoria de forma, son de particular interés los accionamientos para el control automático de los sistemas de refrigeración de aviónica y los accionamientos para cerrar / abrir las válvulas deslizantes en los sistemas de aire acondicionado de cabina.

Los materiales que cambian de forma como resultado de la aplicación de un campo eléctrico incluyen materiales piezoeléctricos (el fenómeno de polarización de materiales con una estructura cristalina bajo la acción de esfuerzos mecánicos (efecto piezoeléctrico directo) y la aparición de deformaciones mecánicas bajo la acción de un campo eléctrico (efecto piezoeléctrico inverso) y materiales de electroestricción. La diferencia radica en la reacción al campo eléctrico aplicado: el material piezoeléctrico se puede alargar o acortar, mientras que el material de electroestricción solo se alarga independientemente de la dirección del campo aplicado. En el caso de los sensores, la tensión generada como resultado de un impacto mecánico se mide y procesa para obtener información sobre el mismo efecto. Estos materiales con efecto piezoeléctrico directo son ampliamente utilizados en sensores de aceleración y carga, sensores acústicos. Otros materiales basados ​​en el efecto piezoeléctrico inverso se utilizan en todos los actuadores; A menudo se utilizan en sistemas ópticos instalados en satélites de reconocimiento, ya que son capaces de ajustar la posición de las lentes y los espejos con precisión nanométrica. Los materiales mencionados anteriormente también se incluyen en las estructuras de transformación para cambiar ciertas características geométricas e impartir propiedades adicionales especiales a estas estructuras. La estructura de transformación (también llamada estructura inteligente o estructura activa) es capaz de percibir cambios en las condiciones externas debido a la operación del sensor / sistema de transductor electromecánico incorporado. De esta manera (debido a la presencia de uno o más microprocesadores y electrónica de potencia), es posible causar los cambios correspondientes de acuerdo con los datos provenientes de los sensores, lo que permite que la estructura se adapte a los cambios externos. Dicho control activo es aplicable no solo a una señal de entrada externa (por ejemplo, presión mecánica o cambio de forma), sino también a un cambio en las características internas (por ejemplo, daño o falla). El ámbito de aplicación es bastante amplio e incluye sistemas espaciales, aviones y helicópteros (control de vibración, ruido, cambios de forma, distribución de tensiones y estabilidad aeroelástica), sistemas marinos (barcos y submarinos), así como tecnologías de protección.

Muy interesante es una de las tendencias en la reducción de la vibración (oscilaciones) que ocurre en los sistemas estructurales. Los sensores especiales (que consisten en cerámicas piezoeléctricas multicapa) se colocan en los puntos más cargados para detectar vibraciones. Después de analizar las señales inducidas por la vibración, el microprocesador envía una señal (proporcional a la señal analizada) al actuador, que responde con un movimiento correspondiente capaz de evitar la oscilación. En la Oficina de Tecnología de Aviación Aplicada del Ejército Americano y la NASA, se probaron sistemas activos similares para reducir las vibraciones de algunos elementos del helicóptero CH-47, así como los planos de la cola del caza F-18. El Departamento ya ha comenzado la integración de materiales activos en las palas del rotor para controlar la vibración.

En un rotor convencional, las cuchillas sufren un alto nivel de vibración causada por la rotación y todos los fenómenos relacionados. Por este motivo, y para reducir la vibración y simplificar el control de las cargas que actúan sobre las cuchillas, se probaron las cuchillas activas con una alta capacidad de curvatura. En un tipo especial de prueba (llamado "patrón de torsión incorporado"), cuando cambia el ángulo de ataque, la cuchilla gira a lo largo de toda su longitud debido a la fibra activa compuesta AFC (fibra electrocerámica incrustada en la matriz de polímero blando) integrada en la estructura de la cuchilla. Las fibras activas se colocan en capas, una capa sobre la otra, en las superficies superior e inferior de la cuchilla en un ángulo de grados 45. El trabajo de las fibras activas crea una tensión distribuida en la hoja, lo que provoca una curva correspondiente a lo largo de toda la hoja, capaz de equilibrar la vibración del swing. Otra prueba ("activación de oscilaciones discretas") se caracteriza por el uso extensivo de mecanismos piezoeléctricos (actuadores) para controlar la vibración: los actuadores se colocan en la estructura de la cuchilla para controlar el funcionamiento de algunos deflectores a lo largo del borde posterior. De este modo, se produce una reacción aeroelástica que puede neutralizar la vibración creada por el tornillo. Ambas soluciones se evaluaron en un helicóptero CH-47D real durante la prueba, llamado MiT Hower Test Sand.

El desarrollo de elementos estructurales cambiantes abre nuevas perspectivas en el diseño de estructuras de mayor complejidad, mientras que su peso y costo se reducen notablemente. Una notable reducción en el nivel de vibración implica: un aumento en la vida útil de la estructura, menos controles de la integridad estructural, un aumento en la rentabilidad de los proyectos finales, ya que las estructuras experimentan menos vibración, aumentan la comodidad, mejoran el rendimiento del vuelo y controlan el nivel de ruido en helicópteros.

Según la NASA, se espera que en los próximos 20 la necesidad de crear sistemas de aeronaves de alto rendimiento, que serán cada vez más ligeros y compactos, requiera un uso más extenso de las estructuras de transformación.



Figura que representa cómo funciona el material de autocuración.

Materiales de autocuración

Los materiales de reparación automática que pertenecen a la clase de materiales inteligentes, son capaces de reparar de manera independiente los daños causados ​​por estrés mecánico o influencia externa. En el desarrollo de estos nuevos materiales, se usaron como inspiración sistemas naturales y biológicos (por ejemplo, plantas, algunos animales, piel humana, etc.) (de hecho, al principio se llamaron materiales biotecnológicos). Hoy en día, los materiales de autocuración pueden encontrarse en materiales compuestos avanzados, polímeros, metales, cerámicas, recubrimientos anticorrosivos y pinturas. Se hace especial hincapié en su aplicación en aplicaciones espaciales (los estudios a gran escala son realizados por la NASA y la Agencia Espacial Europea), que se caracterizan por el vacío, las grandes diferencias de temperatura, las vibraciones mecánicas, la radiación cósmica y también para reducir el daño causado por las colisiones con desechos espaciales y micrometeoritos. Además, los materiales de autocuración son de gran importancia para los sectores de aviación y defensa. Los compuestos de polímeros modernos utilizados en aplicaciones aeroespaciales y militares son susceptibles a daños causados ​​por efectos mecánicos, químicos, térmicos, fuego enemigo o una combinación de estos factores. Dado que el daño dentro de los materiales es difícil de notar y reparar, la solución ideal sería eliminar el daño que ocurrió en el nivel nano y micro y restaurar el material a sus propiedades y estado originales. La tecnología se basa en un sistema de acuerdo con el cual se incluyen microcápsulas de dos tipos diferentes en el material, una que contiene un componente de autocuración y la segunda una especie de catalizador. Si el material está dañado, las microcápsulas se destruyen y sus contenidos pueden reaccionar entre sí, llenando el daño y restaurando la integridad del material. Por lo tanto, estos materiales contribuyen en gran medida a la seguridad y durabilidad de los compuestos avanzados en un avión moderno, al tiempo que eliminan la necesidad de un monitoreo activo costoso o una reparación y / o reemplazo externos. A pesar de las características de estos materiales, existe la necesidad de mejorar la capacidad de mantenimiento de los materiales utilizados por la industria aeroespacial, y se proponen nanotubos de carbono de múltiples capas y sistemas epoxi para esta función. Estos materiales resistentes a la corrosión aumentan la resistencia a la tracción y las propiedades de amortiguación de los compuestos y no alteran la resistencia al calor. También es de interés el desarrollo de un material compuesto con una matriz cerámica: una composición de matriz que convierte cada molécula de oxígeno (penetrada en el material como resultado del daño) en una partícula de sílice de baja viscosidad que puede fluir en daño debido al efecto capilar y rellenarlas. La NASA y Boeing están experimentando la autocuración de grietas en estructuras aeroespaciales utilizando una matriz de elastómero de polidimetilsiloxano con microcápsulas incorporadas.

Los materiales de autocuración son capaces de reparar el daño al eliminar un espacio alrededor de un objeto perforado. Es obvio que estas oportunidades se están estudiando a nivel de la defensa, tanto para reservar autos y tanques, como para sistemas de protección personal.

Los materiales de autocuración para uso militar requieren una evaluación cuidadosa de las variables asociadas con el daño hipotético. En este caso, el daño por impacto depende de:
- energía cinética debida a la bala (masa y velocidad),
- diseños de sistemas (geometría externa, materiales, reservas), y
- Análisis de la geometría de colisión (ángulo de encuentro).

Al adoptar esto como base, DARPA y los laboratorios del ejército estadounidense están realizando experimentos con los materiales de autocuración más avanzados. En particular, las funciones de restauración pueden iniciarse perforando una bala cuando un impacto balístico provoca el calentamiento local del material, lo que hace posible la autocuración.

Muy interesantes son los estudios y pruebas de vidrio autorreparable, en los que las grietas causadas por algún tipo de acción mecánica se llenan de líquido. El vidrio de reparación automática se puede utilizar en la fabricación de parabrisas a prueba de balas de vehículos militares, lo que permitiría a los soldados mantener una buena visibilidad. También puede encontrar aplicaciones en otras áreas, aviación, pantallas de computadora, etc.

Una de las tareas principales del futuro es extender la vida útil de los materiales avanzados utilizados en elementos estructurales y recubrimientos. Se están investigando los siguientes materiales:

- materiales de autocuración basados ​​en grafeno (nanomaterial semiconductor bidimensional que consiste en una capa de átomos de carbono),
- resinas epoxi avanzadas,
- materiales expuestos a la luz solar,
- microcápsulas anticorrosivas para superficies metálicas,
- elastómeros capaces de soportar balas, y
Los nanotubos de carbono se utilizan como un componente adicional que mejora las características del material.

Actualmente se está probando e investigando experimentalmente un número significativo de materiales con estas características.

conclusión

Durante muchos años, los ingenieros a menudo ofrecían proyectos conceptualmente prometedores, pero no podían implementarlos debido a la falta de disponibilidad de materiales relevantes para su implementación práctica. Hoy en día, el objetivo principal es crear estructuras livianas con propiedades mecánicas sobresalientes. El progreso moderno en materiales modernos (materiales inteligentes y nanocompuestos) juega un papel clave, a pesar de la complejidad, cuando a menudo las características son muy ambiciosas y, a veces, incluso contradictorias. En la actualidad, todo cambia con rapidez caleidoscópica; después del nuevo material, cuya producción apenas comienza, aparece el siguiente, que se está experimentando y sometiendo a pruebas. Las industrias aeroespacial y de defensa pueden obtener muchos beneficios de estos materiales con propiedades asombrosas.

Materiales utilizados:
www.shephardmedia.com
www.nasa.gov
www.darpa.mil
web.archive.org
www.wikipedia.org
en.wikipedia.org
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