Женисбеков Ж.Ж.

КазНИТУ, Казахстан

Технология ремонта машин с применением синтетических и интеллектуальных материалов

Интеллектуальная индустрия является принципиально новой отраслью промышленности. За последнее десятилетие количество научных публикаций в этой области существенно превышает количество публикаций по всем прочим направлениям развития науки. Такой повышенный научный интерес связан с широчайшими областями применения и колоссальными возможностями, которые открывают перед человечеством наноматериалы и нанотехнологии. Исследования эксплуатационных свойств, увеличение объемов производства и снижение стоимости интеллектуальных наноматериалов уже в ближайшее время обеспечат их применение во всех отраслях промышленности.

Современные интеллектуальные материалы не только способны анализировать уровень воздействия внешних факторов, но и адаптироваться к их изменению.

Интеллектуальные технологии уже в наше время широко применяются в самых различных отраслях машиностроения. Дальнейшему расширению их использования препятствует недостаточная осведомленность инженерных и научных работников в вопросах прочности, надежности и долговечности интеллектуальных материалов.

В истории развития материалов можно выделить пять поколении. Материалами первого поколения были камень и дерево: второго поколения керамика, медь, бронза, железо, сталь, алюминий, титан; третьего синтетические материалы, такие как смолы, каучуки и волокна. Материалами четвертого поколения считаются композиционные материалы, а к пятому поколению относятся интеллектуальные материалы.

В последние годы все большее внимание уделяется разработке интеллектуальных материалов и конструкций, которые способны реагировать на изменение внешних или внутренних условий и именно поэтому могут быть использованы в качестве сенсоров. Такие материалы называют «адаптивными» («adaptive»), «управляемыми» («controlled»), активными («active»), «самонастраивающимися», «разумными» («smart») или «интеллектуальными» («intelligent»). Эти материалы чаще всего называют интеллектуальными, причем слово «интеллектуальный» кавычками не выделяют.

Идея создания интеллектуальных материалов, обладающих способностью самостоятельно диагностировать свое состояние, принадлежит японскому профессору Тошинори Такаги, который первым предложил проектировать конструкции, которые обладали бы свойствами нейрона в живом организме. Для практической реализации этой идеи необходимо было первоначально найти элементы, которые характеризовались бы высокой чувствительностью к механическому состоянию конструкции.

В общем виде интеллектуальный материал можно представить как материал с четырьмя встроенными функциями: процессорной, сенсорной, исполнительной и восстановительной.

По оценкам многих экспертов, в ближайшем будущем создание интеллектуальных материалов будет осуществляться по пути проектирования интеллектуальных конструкций, которые разделяют на три группы:

• Интеллектуальные конструкции I типа (пассивные), которые могут диагностировать свое состояние в процессе эксплуатации.

• Интеллектуальные конструкции II типа (активные), способные не только диагностировать свое напряженно-деформированное состояние, но и подстраиваться под изменение внешних условий, в том числе и путем изменения формы и свойств. Такие конструкции обладают способностью обнаруживать появление неисправностей (повреждений) и принимать меры для устранения или смягчения их последствий.

• Интеллектуальные конструкции III типа, способные к обучению и изменяющие свою реакцию в зависимости от приобретенного опыта.

На первом этапе создания интеллектуальных конструкций требуется найти сенсоры (или датчики), которые характеризовались бы высокой чувствительностью к механическому состоянию конструкции. К таким элементам относятся: оптико-волоконные, пьезоэлектрические и токопроводящие материалы.

Действие оптических сенсоров (их часто называют оптоволоконными, волоконно-оптическими или оптико-волоконными) основано на регистрации таких характеристик светового потока, как спектр, интенсивность и др., которые изменяются в результате процессов, проходящих в материале при его эксплуатации.

Типовая конструкция волоконно-оптического датчика представляет собой датчик определенной базовой длины, которая для различных типов конструкций варьируется от 250мм до 20м (в принципе этот чувствительный элемент датчика может быть выполнен любой длины), считывающее устройство, систему сбора данных и программное обеспечение. Измерение происходит непрерывно вдоль траектории размещение чувствительного элемента датчика.

Основным конструктивным элементом волоконно-оптического датчика является брэгговская решетка, представляющая собой структуру с периодической модуляцией показателя преломления сердцевины волоконного световода, которая связывает основную моду волоконного световода с модой, имеющей противоположное направление распространения. Это приводит к образованию при определенной длине волны отражения. Сдвиг спектрального положения резонансной волны линейно зависит от приложенного напряжения.

Полимерные материалы, армированные волоконно-оптическими датчиками, относятся к «интеллектуальным» материалам первого поколения. Они способны реагировать на воздействие внешней среды путем выработки сигнала. Решение же по результатам анализа этого сигнала принимает человек с помощью ЭВМ, т.е. собственного «интеллекта» материалам первого поколения еще недостаточно для того, чтобы адекватно реагировать на вызовы окружающей среды.

Материалы с эффектом памяти формы позволяют создавать интеллектуальные конструкции второго типа. «Память» в таких конструкциях — это способность изменять свойства материала в зависимости от изменяющихся внешних условий.

Эффект памяти формы (ЭПФ) - это физическое явление, при котором пластически деформированный материал восстанавливает свою первоначальную форму (как правило, при нагреве). Таким образом, этот эффект состоит в каучукоподобном (высокоэластическом) поведении материала, при котором происходит восстановление деформаций. Для металлов такое поведение обусловлено изменениями структуры кристаллической решетки, состоящими в появлении микрокристаллов мартенситной фазы. Эффектом памяти формы обладают также никель-титановые сплавы, биметаллические пластины, а также термореактивные полимерные композиционные материалы, отвержденные в определенных условиях.

Существует ряд материалов и металлических сплавов, которые при нагреве, после предварительной деформации, демонстрируют явление возврата к первоначальной форме (проявляют своеобразную память). Наиболее распространенными сплавами, обладающими эффектом памяти формы, являются сплавы NiTi, CuAlNi, СuZnAl.

Устройства на базе сплавов с эффектом памяти формы обладают рядом преимуществ:

• проще по конструкции и в эксплуатации;

• имеют во много раз меньшие` массогабаритные показатели при равных мощностях;

• не требуют большого количества передаточных звеньев и редукторов;

• более эффективны по сравнению с традиционными при функционировании при экстремальных условиях, в состоянии работать в условиях вакуума, невесомости, высокой радиации и жидкой среде;

• длительное время (до 10 лет) могут находиться в режиме ожидания, сохраняя при этом свою работоспособность;

• эффективны в аварийных системах пассивного типа, так как могут функционировать за счет энергии окружающей среды.

Наиболее простым методом диагностирования является использование в качестве тензочувствительных элементов токопроводящих сенсоров. В этом случае контроль выполняется в результате регистрации изменения электрического сигнала при воздействии механических нагрузок. В качестве токопроводящих сенсоров наиболее перспективными материалами являются углеродные волокна, которые широко используются при создании композиционных материалов.

В большинстве случаев углеродные волокна получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода.

Технологический процесс изготовления углеродных волокнистых наполнителей достаточно сложен и включает в себя следующие основные стадии:

• окисление при температуре 200...325⁰С, на этом этапе производят процесс вытягивания;

• карбонизацию при температуре 1000...1500⁰С;

• графитизацию при температуре 2500...2800⁰С.

Исследование усталостного поведения композитов на основе углеродных волокон и полимеров - сравнительно новое направление. Несмотря на то, что количество исследований на эту тему весьма ограниченно, их результаты позволяют делать благоприятные прогнозы. Для более глубокого понимания и реализации потенциала полимерных композитов с УВ и для их практического использования необходимо проводить дальнейшие исследования в этом направлении. Следует отметить, что пока нет данных о ползучести или разрушении при ползучести для УВ и полимерных композитов на их основе, недостаточно репрезентативных данных о долговременном устaлостном поведении УВ. Фактически для прогнозирования долговременных характеристик УВ предложена только простая молекулярная модель. Многие проблемы (влиние дефектов и их взаимодействий на долговременное усталостное поведение УВ и композитов УВ / полимер) до сих пор не решены. Для их решения в первую очередь необходимо провести более точное описание физических процессов в системе, что является предметом дальнейших исследований.

Список использованной литературы:

1. Андриевский, Р.А. Наноструктурные материалы - М.: Издательский центр «Академия», 2005;

2. Алферов, Ж.И. Наноматериалы и нанотехнологии - 2003;

3. Басов, Ф.А. Интеллектуальные композиционные материалы и перспективы их применения. Энциклопедический справочник, 2006;

4. Быков, Ю.А. Наноструктурированные материалы и нанотехнологии - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004;

5. Уорден, К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение - М.: Техносфера, 2006;

6. Черноиванов, В.И. Нанотехнологии - основа повышения качества обслуживания и ремонта машин. Труды ГОСНИ-ТИ, 2008;

7. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления развития; под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса и П. Аливисатоса; пер. с англ. - М.: Мир, 2002.