Перспективы создания армированных ПКМ и элементов конструкций из них с элементами интеллектуальности

Введение
В настоящее время происходит зарождение и развитие материалов нового поколения – интеллектуальных или «умных», к которым относятся материалы, реагирующие определенным образом на изменения условий или состава окружающей среды (температуры, давления, концентрации компонентов и адсорбируемых молекул, рН среды) и/или воздействия механического, гравитационного, электрического и магнитного силовых полей, вибраций или колебаний и излучений, изменяя свои свойства и геометрию и адаптируясь к изменениям условий эксплуатации, обеспечивать самоконтроль за возникновением и развитием усталостных повреждений, их идентификацию и локализацию, корректировать напряженное состояние конструктивного элемента с целью ликвидации критической ситуации.
Интеллектуальные материалы и конструкции представляют собой интегрированные структуры, включающие сенсорные, активирующие, контролирующие и управляющие подсистемы с заданным типом обратной связи (замкнутым контуром управления).

Базовые элементы интеллектуальных материалов и конструкций с обратной связью
встроенный сенсор (датчик) – передача данных - система контроля - передача команды - актюаторный (исполнительный) механизм а

Важнейшие классы и типы материалов с элементами интеллектуальности:
По реакции на стимулирование:
-термо- и механоактивные
-электро- и магнитоактивные.
По проявляемому эффекту:
с эффектом памяти формы;
механохромные;
- самозалечивающиеся

Термостимулируемый эффект памяти формы (ТС ЭПФ)
ТС ЭПФ - способность материала или элемента конструкции к изменению (конверсии), фиксированию (стабилизации) и восстановлению формы и размеров, т.е. способность претерпевать определенные деформации, сохранять их достаточно длительное время и самопроизвольно возвращать исходную форму и размеры, обеспечивая требуемые степень и усилие восстановления, в определенных температурных интервалах - конверсии (Тк), восстановления (Тв) и фиксации (Тф) измененной и восстановленной формы.
Решающее значение при использовании ТС ЭПФ имеют механизм, кинетика и величина обратимых деформаций, а также модуль упругости материала на стадиях конверсии и восстановлении, определяющего требуемое для изменения формы и развиваемое при восстановлении формы усилие.
Материалы, обладающие ТС ЭПФ: металлические сплавы с эффектом сверхпластичности (нитинолы) и полимерные материалы (пористые, диспесно-наполненные и армированные полимеры).
Возможное применение материалов с ТС ЭПФ в авиакосмической технике:
- актюирование механических нагрузок и деформаций, направленное изменение формы и размеров конструкций (морфинг, создание трансформируемых конструкций), самозалечивание дефектов.

Механизм и кинетика проявления, схема реализации ТС ЭПФ в металлических сплавах
Механизм ТС ЭПФ базируется на обратимом бездифузионном (мартенситном)
превращении жесткой аустенитной фазы в конверсионную сверхпластичную мартенситную фазу, кинетика - на практически мгновенном фазовом превращении
Изменение и стабилизация измененной формы:
→ →
→
Аустенит Охлаждение Мартенсит Пластическое Деформированный
(Тисх) (Тисх →Тк) (Тк) деформирование (Тк) мартенсит (Тк=Тф)
Восстановление и стабилизация исходной формы:
→
Нагревание Аустенит
(Тф →Тв) (Тв)

Механизм и кинетика проявления ТС ЭПФ в полимерах
(принципиально отличные от его проявления в металлических сплавах)
Механизм проявления ТС ЭПФ в полимерах основан на обратимости высокоэластических деформаций и их способности к фиксации и восстановлению вследствие замораживания или размораживания сегментального теплового движения (стеклования/расстекловывания как релаксационного перехода) или вследствие фазового превращения (кристаллизации/плавления, жидкокристаллического или аморфного фазового разделения) при охлаждении ниже или при нагревании выше температуры релаксационного или фазового перехода
Кинетика проявления ТС ЭПФ в полимерах определяется медленным характером релаксационного процесса установления равновесных высокоэластических деформаций и резко зависит от температуры
Преимущества и недостатки полимеров и ПКМ в сравнении с металлическими сплавами с ТС ЭПФ:
преимущества - большие обратимые деформации и малые усилия деформирования на стадии изменение формы;
недостатки - малые усилия при восстановлении в заневоленном состоянии из-за низкого модуля упругости и релаксационный (замедленный, вязко-упругий) характер высокоэластических деформаций
Схемы реализации ТС ЭПФ в полимерах существенно зависит от молекулярной и надмолекулярной структуры, фазового и реологического состояния полимера

Основные типы полимеров, проявляющих ТС ЭПФ
Густосетчатые стеклообразные (отвержденные некристаллизующиеся) полимеры
Кристаллизующиеся сетчатые (редкосшитые) полимеры
Некристаллизующиеся, кристаллизующиеся или жидкокристаллические сегментированные блоксополимеры, состоящие из гибких и жестких блоков и способных образовывать микрогетерогенную фазовую структуру в результате фазового превращения
Во всех типах полимеров конверсионной фазой служит полимерная сетка, образованная химическими узлами (два первых типа полимеров) или микрофазами (физическими узлами) - в случае сегментированные сополимеров

Схема реализации ТС ЭПФ в густосетчатых стеклообразных (отвержденных) полимерах
(матрицах ПКМ)
Изменение и стабилизация измененной формы:
Исходное стеклообразное состояние (Т<<Тg) → Нагрев (Т→Тк ≥Тg) →
→ Высоко-эластическое состояние (Тк) →Деформирование (Тк) →
→ Деформированное высоко-эластическое состояние (Тк) →
→ Охлаждение (Тк→Тф <<Тg) → Деформированное стеклообразное состояние (Тф<<Тg)
Восстановление и стабилизация исходной формы:
→ Нагрев (Тф→Тв ≥Тg) → Восстановленное высоко-эластическое состояние (Тв) →
→ Охлаждение (Тв→Тф <<Тg) → Восстановленное стеклообразное состояние (Т<<Тg)

Схема реализации ТС ЭПФ в кристаллизующихся сетчатых (редкосшитых) полимерах
Одно-стадийный эффект (одно-ступенчатое восстановление формы) :
Изменение и стабилизация измененной формы:
Исходное аморфно-кристаллическое состояние (Т<<Тm) → Нагрев (Т→Тк >Тm) →
→ Высокоэластическое состояние (Тк) → Деформирование (Тк) → Деформированное высокоэластическое состояние (Тк) → Охлаждение (Тк→Тф <Тm =Ткр) → Деформированное аморфно-кристаллическое состояние (Тф<<Тm)
Восстановление и стабилизация исходной формы:
→ Нагрев (Тф→Тв >Тm) → Восстановленное высокоэластическое состояние (Тв) →
→ Охлаждение (Тв→Тф<Тm=Ткр) → Восстановленное аморфно-кристаллическое состояние (Т<<Тm):
Двух-стадийный эффект (двух-ступенчатое восстановление формы): при дополнительной кристаллизации вследствие ориентационной вытяжки

Возможные варианты фазового состояния, надмолекулярной структуры , фазовых и релаксационных температурных переходов в некристаллизующихся (аморфных), кристаллизующихся и ЖК сегментированных блоксополимерах
Аморфные, кристаллические или ЖК микрофазы, образуемые жесткими блоками и создающие физические узлы непрерывной сетки гибкоцепных блоков (конверсионной фазы), с повышенными температурами Тgв и Тmв
Стеклообразная, кристаллическая или ЖК конверсионная макрофаза с пониженными температурами Тсн и Тплн, образуемая гибкими блоками
Важное преимущество – повышенный модуль упругости на стадии восстановления деформации и высокая прочность в условиях эксплуатации за счет жестких микрофаз.

Схема реализации ТС ЭПФ в сегментированных некристаллизующихся блоксополимерах (Тgн=Tgs; Тgв=Tgh)
Изменение и стабилизация измененной формы:
Исходное стеклообразное состояние обоих фаз (Т<Тgs) → Нагревание (Тgh>Тк>Тgs)
→Высокоэластическое состояние конверсионной фазы (Тк) →Деформирование (Тк)
→ Деформированное высокоэластическое состояние (Тк)
→ Охлаждение (Т<Тgs) → Деформированное стеклообразное состояние (Тф<<Тgs)
Восстановление и стабилизация исходной формы:
→ Нагрев (Тgh>Тф>Тgs ) → Восстановленное высокоэластическое состояние (Тф)
→ Охлаждение (Тф <<Тgs) → Восстановленное стеклообразное состояние (Тф <<Тgs)

Жесткие поропласты на основе сегментированного полиэфируретана
(для повышения модуля упругости усилия, определяющего развиваемое при восстановлении формы, используется наполнение поропласта жесткими дисперсными частицами)
Последовательность стадий деформирования (уплотнения), самопроизвольного восстановления и фиксирования формы поропласта ППУ (а) и сэндвичевая структура в сжатом и восстановленном состоянии (б):
(а) (б)

Проявление ТС ЭПФ в поропласте из блоксетчатого сополимера сегментированного полиэфируретана и амино-эпоксидного полимера в условиях микрогравитации
Научно-образовательный эксперимент на РС МКС

Армированные ПКМ
со встроенными резистивными нагревателями
(основную роль в проявлении ТС ЭПФ на стадии восстановления формы играет армирующая система и степень армирования , а полимерная матрица определяет стадии конверсии и фиксирования формы)
Стадии восстановления формы трубчатого актюаторного шарнира (а) и измерения развиваемого усилия при восстановлении формы плоского шарнира (б).
( Шарниры из ПКМ на основе углеродной ткани и амино-эпоксидной матрицы, модифицированной сегментированным полиэфируретаном ):
(а) (б)

Проявление ТС ЭПФ в ПКМ на основе углеродной ткани и блоксетчатого сополимера сегментированного полиэфируретана и амино-эпоксидного полимера в условиях микрогравитации
Научно-образовательный эксперимент на РС МКС

Модель шарнира из ПКМ в предварительно деформированном и развернутом состоянии
(А) (Б)

Полуцилиндрические элементы
Составляющие элементы конструкции шарнира
Упругий тонкостенный элемент
из ПКМ с ЭПФ
Элемент нагревательный
Полуцилиндрический элемент
с встроенным нагревателем

Определение угла разворачивания шарнира, времени, степени и усилия восстановления формы
Шарнир в сложенном состоянии
восстановления формы шарнира после подачи напряжения

Трансформируемая конструкция в сложенном (А) и развернутом (Б) состоянии
А)
Б)
4,5 мин.

Модель трансформируемой конструкции с плоскими шарнирами из ПКМ с ЭПФ