Els "materials no tradicionals" són una de les àrees més importants del desenvolupament tecnològic en les indústries militars i aeroespacials. Els materials han de fer alguna cosa més que només servir d’estructura de suport: han de ser materials intel·ligents
Els materials intel·ligents són una classe especial de materials que tenen la capacitat d’actuar com a actuador i com a sensor, proporcionant les deformacions mecàniques necessàries associades a canvis de temperatura, corrent elèctric o camp magnètic. Atès que els materials compostos es componen de més d’un material i a causa del progrés tecnològic modern, ara és possible incloure altres materials (o estructures) en el procés de proporcionar funcionalitats integrades en àrees com:
- Morphing, - Autocuració, - Percepció, - Protecció contra llamps i
- Emmagatzematge d’energia.
Ens centrarem en les dues primeres àrees d’aquest article.
Materials de transformació i estructures de transformació
Els materials morphing inclouen aquells materials que, seguint els senyals d’entrada, canvien els seus paràmetres geomètrics i que són capaços de restaurar la seva forma original quan s’aturen els senyals externs.
Aquests materials, a causa de la seva reacció en forma de canvi de forma, s’utilitzen com a actuadors, però també es poden utilitzar de manera contrària, és a dir, com a sensors en què una influència externa aplicada al material es transforma en un senyal. Les aplicacions aeroespacials d’aquests materials són variades: sensors, actuadors, interruptors en instal·lacions i aparells elèctrics, aviónica i connexions en sistemes hidràulics. Els avantatges són: una fiabilitat excepcional, una llarga vida útil, sense pèrdues, baixos costos d’instal·lació i una reducció significativa del manteniment. En particular, entre els actuadors fabricats amb materials de transformació i aliatges de memòria de forma, són particularment interessants els actuadors per al control automàtic de sistemes de refrigeració aviónica i els actuadors per tancar / obrir amortidors de guia en sistemes de climatització de la cabina.
Entre els materials que canvien de forma com a resultat de l’aplicació d’un camp elèctric s’inclouen els materials piezoelèctrics (el fenomen de la polarització de materials amb una estructura cristal·lina sota l’acció de tensions mecàniques (efecte piezoelèctric directe) i les deformacions mecàniques sota l’acció d’un camp elèctric (efecte piezoelèctric invers)) i materials electroestrictius. La diferència rau en la resposta a un camp elèctric aplicat: un material piezoelèctric es pot allargar o escurçar, mentre que un material electrostrictiu només s’allarga, independentment de la direcció del camp aplicat. En el cas dels sensors, la tensió generada per la tensió mecànica es mesura i processa per obtenir informació sobre la mateixa tensió. Aquests materials amb efecte piezoelèctric directe s’utilitzen àmpliament en sensors d’acceleració i càrrega, sensors acústics. En tots els actuadors s’utilitzen altres materials basats en l’efecte piezoelèctric invers. sovint s'utilitzen en sistemes òptics per a satèl·lits de reconeixement, ja que són capaços d'ajustar la posició de les lents i els miralls amb precisió nanomètrica. Els materials esmentats també s’inclouen en estructures de transformació per tal d’alterar certes característiques geomètriques i impartir propietats addicionals especials a aquestes estructures. Una estructura de transformació (també anomenada estructura intel·ligent o estructura activa) és capaç de detectar canvis en les condicions externes a causa del funcionament del sistema sensor / transductor electromecànic integrat. D’aquesta manera (a causa de la presència d’un o més microprocessadors i electrònica de potència), es poden induir canvis adequats d’acord amb les dades provinents dels sensors, permetent que l’estructura s’adapti als canvis externs. Aquest control actiu no només s'aplica a un senyal d'entrada extern (per exemple, pressió mecànica o canvi de forma), sinó també a canvis en les característiques internes (per exemple, danys o avaries). L’àmbit d’aplicació és força ampli i inclou sistemes espacials, avions i helicòpters (control de vibracions, soroll, canvi de forma, distribució de tensions i estabilitat aeroelàstica), sistemes marins (vaixells i submarins), així com tecnologies de protecció.
Una de les tendències a reduir les vibracions (vibracions) que es produeix en els sistemes estructurals és molt interessant. Els sensors especials (formats per ceràmica piezoelèctrica multicapa) es col·loquen en els punts més estressats per tal de detectar vibracions. Després d’analitzar els senyals induïts per la vibració, el microprocessador envia un senyal (proporcional al senyal analitzat) a l’actuador, que respon amb un moviment adequat capaç d’inhibir la vibració. L'Oficina de Tecnologia d'Aviació Aplicada de l'Exèrcit dels Estats Units i la NASA han provat sistemes actius similars per tal de reduir les vibracions d'alguns elements de l'helicòpter CH-47, així com dels avions de cua del caça F-18. La FDA ja ha començat a integrar materials actius a les pales del rotor per controlar les vibracions.
En un rotor principal convencional, les pales pateixen nivells elevats de vibracions causats per la rotació i tots els fenòmens relacionats. Per aquest motiu, i per tal de reduir les vibracions i facilitar el control de les càrregues que actuen sobre les pales, es van provar les pales actives amb una alta capacitat de flexió. En un tipus de prova especial (anomenat "circuit de torsió incrustat"), quan l'angle d'atac canvia, la fulla es torça al llarg de tota la seva longitud gràcies a la composició de fibra activa AFC (fibra electro-ceràmica incrustada en una matriu de polímer tou) integrada a l’estructura de la fulla. Les fibres actives s’apilen en capes, una capa per sobre de l’altra, a la superfície superior i inferior de la fulla amb un angle de 45 graus. El treball de les fibres actives crea una tensió distribuïda a la fulla, que provoca una corresponent flexió a tota la fulla, que pot equilibrar la vibració de balanceig. Una altra prova ("activació de gronxadors discrets") es caracteritza per l'ús generalitzat de mecanismes piezoelèctrics (actuadors) per al control de vibracions: els actuadors es col·loquen a l'estructura de la fulla per controlar el funcionament d'alguns deflectors situats al llarg de la vora final. Així, es produeix una reacció aeroelàstica que pot neutralitzar la vibració generada per l'hèlix. Les dues solucions es van avaluar en un helicòpter real CH-47D en una prova anomenada MiT Hower Test Sand.
El desenvolupament d’elements estructurals morphing obre noves perspectives en el disseny d’estructures de complexitat augmentada, mentre que el seu pes i cost es redueixen significativament. Una reducció marcada dels nivells de vibració es tradueix en: major vida útil de l’estructura, menys controls d’integritat estructural, major rendibilitat dels dissenys finals ja que les estructures estan sotmeses a menys vibracions, major confort, millor rendiment del vol i control de soroll en helicòpters.
Segons la NASA, s’espera que durant els propers 20 anys, la necessitat de sistemes d’avions d’alt rendiment que siguin més lleugers i compactes requerirà un ús més extens dels dissenys de transformació.
Materials autocuratius
Els materials autocurables que pertanyen a la classe de materials intel·ligents poden reparar de forma independent els danys causats per esforços mecànics o influències externes. Quan es van desenvolupar aquests nous materials, es van utilitzar sistemes naturals i biològics (per exemple, plantes, alguns animals, pell humana, etc.) com a font d’inspiració (de fet, al principi s’anomenaven materials biotecnològics). Avui en dia es poden trobar materials autocurables en compostos avançats, polímers, metalls, ceràmica, recobriments anticorrosius i pintures. Es posa especial èmfasi en la seva aplicació en aplicacions espacials (la NASA i l'Agència Espacial Europea duen a terme investigacions a gran escala), que es caracteritzen pel buit, les grans diferències de temperatura, les vibracions mecàniques, la radiació còsmica, així com per reduir els danys causada per col·lisions amb restes espacials i micrometeorits. A més, els materials d’autocuració són essencials per a la indústria de l’aviació i la defensa. Els compostos moderns de polímers que s’utilitzen en aplicacions aeroespacials i militars són susceptibles a danys causats pel foc mecànic, químic, tèrmic, enemic o per una combinació d’aquests factors. Atès que els danys a l'interior dels materials són difícils de notar i reparar, la solució ideal seria eliminar els danys produïts a nivell nano i micro i restaurar el material a les seves propietats i estat originals. La tecnologia es basa en un sistema segons el qual el material inclou microcàpsules de dos tipus diferents, una conté un component d’autocuració i l’altra un cert catalitzador. Si el material es fa malbé, les microcàpsules es destrueixen i el seu contingut pot reaccionar entre si, omplint el dany i restablint la integritat del material. Per tant, aquests materials contribueixen en gran mesura a la seguretat i la durabilitat dels compostos avançats en avions moderns, alhora que eliminen la necessitat d’un costós control actiu o reparació i / o substitució externa. Malgrat les característiques d'aquests materials, és necessari millorar la mantenibilitat dels materials utilitzats per la indústria aeroespacial i es proposen sistemes de nanotubs de carboni multicapa i sistemes epoxi per a aquesta funció. Aquests materials resistents a la corrosió augmenten la resistència a la tracció i les propietats d'amortiment dels compostos i no alteren la resistència als xocs tèrmics. També és interessant desenvolupar un material compost amb una matriu ceràmica, una composició matricial que converteix cada molècula d’oxigen (penetrada al material com a conseqüència d’un dany) en una partícula de silici-oxigen amb una viscositat baixa, que pot fluir en danys deguts a a l’efecte capil·lar i ompliu-los. La NASA i Boeing estan experimentant esquerdes d’autocuració en estructures aeroespacials mitjançant una matriu d’elastòmer de polidimetilsiloxà amb microcàpsules incrustades.
Els materials autocurables són capaços de reparar els danys en tancar l’espai al voltant de l’objecte perforat. Viouslybviament, aquestes capacitats s’estan estudiant a nivell de defensa, tant per blindar vehicles i tancs, com per a sistemes de protecció personal.
Els materials autocuratius per a aplicacions militars requereixen una avaluació acurada de les variables associades a danys hipotètics. En aquest cas, el dany per impacte depèn de:
- energia cinètica a causa de la bala (massa i velocitat), - dissenys de sistemes (geometria externa, materials, armadures) i
- anàlisi de la geometria de col·lisió (angle de trobada).
Amb això en ment, DARPA i els Laboratoris de l'exèrcit dels EUA estan experimentant amb els materials d'autocuració més avançats. En particular, les funcions restauratives es poden iniciar mitjançant la penetració de bala on l'impacte balístic provoca un escalfament localitzat del material, cosa que fa possible l'autocuració.
Són molt interessants els estudis i proves de vidres autocurables en què les esquerdes causades per alguna acció mecànica s’omplen de líquid. El vidre autocurable es pot utilitzar en la fabricació de parabrises antibales de vehicles militars, cosa que permetria als soldats mantenir una bona visibilitat. També pot trobar aplicacions en altres camps, aviació, pantalles d’ordinador, etc.
Un dels grans reptes futurs és allargar la vida útil dels materials avançats utilitzats en elements estructurals i recobriments. S'estan investigant els materials següents:
- materials autocuratius basats en grafè (nanomaterial semiconductor bidimensional format per una capa d’àtoms de carboni), - resines epoxi avançades, - materials exposats a la llum solar, - microcàpsules anticorrosió per a superfícies metàl·liques, - elastòmers capaços de suportar impactes de bala i
nanotubs de carboni que s’utilitzen com a component addicional per millorar el rendiment del material.
Actualment s’està provant i investigant experimentalment un nombre important de materials amb aquestes característiques.
Sortida
Durant molts anys, els enginyers sovint van proposar projectes conceptualment prometedors, però no van poder implementar-los a causa de la inaccessibilitat dels materials adequats per a la seva implementació pràctica. Avui l’objectiu principal és crear estructures lleugeres amb excel·lents propietats mecàniques. El progrés modern en materials moderns (materials intel·ligents i nanocompostos) juga un paper clau, malgrat tota la complexitat, quan les característiques són sovint molt ambicioses i de vegades fins i tot contradictòries. Actualment, tot està canviant amb una velocitat calidoscòpica, per obtenir un nou material, la producció del qual tot just comença, n'hi ha un de següent, en el qual realitzen experiments i proves. La indústria aeroespacial i de defensa pot obtenir molts beneficis d’aquests materials sorprenents.
