"Bahan non-tradisional" adalah salah satu bidang pengembangan teknologi terpenting dalam industri militer dan kedirgantaraan. Bahan perlu melakukan lebih dari sekadar berfungsi sebagai struktur pendukung - bahan tersebut harus menjadi bahan yang cerdas
Bahan pintar adalah kelas bahan khusus yang memiliki kemampuan untuk bertindak sebagai aktuator dan sebagai sensor, memberikan deformasi mekanis yang diperlukan terkait dengan perubahan suhu, arus listrik, atau medan magnet. Karena bahan komposit terdiri dari lebih dari satu bahan dan karena kemajuan teknologi modern, sekarang dimungkinkan untuk memasukkan bahan (atau struktur) lain dalam proses penyediaan fungsionalitas terintegrasi di berbagai bidang seperti:
- Perubahan, - Penyembuhan diri sendiri, - Persepsi, - Penangkal petir, dan
- Penyimpanan energi.
Kami akan fokus pada dua area pertama dalam artikel ini.
Bahan morphing dan struktur morphing
Bahan morphing termasuk bahan-bahan yang, mengikuti sinyal input, mengubah parameter geometrisnya dan yang mampu mengembalikan bentuk aslinya ketika sinyal eksternal berhenti.
Bahan-bahan ini, karena reaksinya dalam bentuk perubahan bentuk, digunakan sebagai aktuator, tetapi mereka juga dapat digunakan sebaliknya, yaitu sebagai sensor di mana pengaruh eksternal yang diterapkan pada bahan diubah menjadi sinyal. Aplikasi luar angkasa dari bahan-bahan ini bervariasi: sensor, aktuator, sakelar dalam instalasi dan peralatan listrik, avionik, dan koneksi dalam sistem hidrolik. Manfaatnya adalah: keandalan yang luar biasa, masa pakai yang lama, tidak ada kebocoran, biaya pemasangan rendah, dan pengurangan perawatan yang signifikan. Secara khusus, di antara aktuator yang terbuat dari bahan morphing dan paduan memori bentuk, aktuator untuk kontrol otomatis sistem pendingin avionik dan aktuator untuk menutup / membuka peredam pemandu dalam sistem pendingin udara kokpit sangat menarik.
Bahan yang berubah bentuk sebagai akibat penerapan medan listrik termasuk bahan piezoelektrik (fenomena polarisasi bahan dengan struktur kristal di bawah aksi tekanan mekanis (efek piezoelektrik langsung) dan deformasi mekanis di bawah aksi medan listrik (efek piezoelektrik terbalik)) dan bahan elektrostriktif. Perbedaannya terletak pada respons terhadap medan listrik yang diterapkan: bahan piezoelektrik dapat memanjang atau memendek, sedangkan bahan elektrostriktif hanya memanjang, terlepas dari arah medan yang diterapkan. Dalam kasus sensor, tegangan yang dihasilkan oleh tegangan mekanik diukur dan diproses untuk mendapatkan informasi tentang tegangan yang sama. Bahan-bahan ini dengan efek piezoelektrik langsung banyak digunakan dalam sensor akselerasi dan beban, sensor akustik. Bahan lain berdasarkan efek piezoelektrik terbalik digunakan di semua aktuator; mereka sering digunakan dalam sistem optik untuk satelit pengintai, karena mereka mampu menyesuaikan posisi lensa dan cermin dengan presisi nanometer. Bahan-bahan yang disebutkan di atas juga termasuk dalam struktur morphing untuk mengubah karakteristik geometris tertentu dan memberikan sifat tambahan khusus untuk struktur ini. Struktur morf (juga disebut struktur cerdas atau struktur aktif) mampu mendeteksi perubahan kondisi eksternal karena pengoperasian sensor / sistem transduser elektromekanis yang terpasang di dalamnya. Dengan cara ini (karena adanya satu atau lebih mikroprosesor dan elektronika daya), perubahan yang sesuai dapat diinduksi sesuai dengan data yang berasal dari sensor, memungkinkan struktur untuk beradaptasi dengan perubahan eksternal. Pemantauan aktif tersebut dapat diterapkan tidak hanya pada sinyal input eksternal (misalnya tekanan mekanis atau perubahan bentuk), tetapi juga pada perubahan karakteristik internal (misalnya kerusakan atau kegagalan). Lingkup penerapannya cukup luas dan mencakup sistem antariksa, pesawat terbang dan helikopter (pengendalian getaran, kebisingan, perubahan bentuk, distribusi tegangan dan stabilitas aeroelastik), sistem kelautan (kapal dan kapal selam), serta teknologi proteksi.
Salah satu kecenderungan untuk mereduksi getaran (vibrasi) yang terjadi pada sistem struktur sangat menarik. Sensor khusus (terdiri dari keramik piezoelektrik multilayer) ditempatkan pada titik yang paling ditekan untuk mendeteksi getaran. Setelah menganalisis sinyal yang diinduksi getaran, mikroprosesor mengirimkan sinyal (sebanding dengan sinyal yang dianalisis) ke aktuator, yang merespons dengan gerakan yang sesuai yang mampu menghambat getaran. Kantor Teknologi Penerbangan Terapan Angkatan Darat AS dan NASA telah menguji sistem aktif serupa untuk mengurangi getaran beberapa elemen helikopter CH-47, serta pesawat ekor pesawat tempur F-18. FDA telah mulai mengintegrasikan bahan aktif ke dalam bilah rotor untuk mengontrol getaran.
Pada rotor utama konvensional, bilah mengalami getaran tingkat tinggi yang disebabkan oleh rotasi dan semua fenomena terkait. Untuk alasan ini, dan untuk mengurangi getaran dan memfasilitasi kontrol beban yang bekerja pada sudu, sudu aktif dengan kapasitas lentur tinggi diuji. Dalam jenis pengujian khusus (disebut "sirkuit puntir tertanam"), ketika sudut serang berubah, bilah dipelintir sepanjang panjangnya berkat komposit serat aktif AFC (serat elektro-keramik yang tertanam dalam matriks polimer lunak) yang terintegrasi ke dalam struktur pisau. Serat aktif ditumpuk berlapis-lapis, satu lapisan di atas yang lain, pada permukaan atas dan bawah bilah pada sudut 45 derajat. Pekerjaan serat aktif menciptakan tegangan terdistribusi pada bilah, yang menyebabkan pembengkokan yang sesuai di seluruh bilah, yang dapat menyeimbangkan getaran ayunan. Tes lain ("aktivasi ayunan diskrit") ditandai dengan meluasnya penggunaan mekanisme piezoelektrik (aktuator) untuk kontrol getaran: aktuator ditempatkan dalam struktur blade untuk mengontrol pengoperasian beberapa deflektor yang terletak di sepanjang trailing edge. Dengan demikian, terjadi reaksi aeroelastik yang dapat menetralkan getaran yang dihasilkan oleh baling-baling. Kedua solusi dievaluasi pada helikopter CH-47D asli dalam tes yang disebut MiT Hower Test Sand.
Pengembangan elemen struktural morphing membuka perspektif baru dalam desain struktur dengan kompleksitas yang meningkat, sementara bobot dan biayanya berkurang secara signifikan. Pengurangan yang nyata pada tingkat getaran diterjemahkan menjadi: peningkatan umur struktur, lebih sedikit pemeriksaan integritas struktural, peningkatan profitabilitas desain akhir karena struktur tunduk pada lebih sedikit getaran, peningkatan kenyamanan, peningkatan kinerja penerbangan, dan kontrol kebisingan di helikopter.
Menurut NASA, diharapkan selama 20 tahun ke depan, kebutuhan akan sistem pesawat berkinerja tinggi yang akan menjadi lebih ringan dan lebih kompak akan membutuhkan penggunaan desain morphing yang lebih ekstensif.
Bahan penyembuhan diri
Bahan penyembuhan diri yang termasuk dalam kelas bahan pintar mampu secara mandiri memperbaiki kerusakan yang disebabkan oleh tekanan mekanis atau pengaruh eksternal. Ketika mengembangkan bahan-bahan baru ini, sistem alami dan biologis (misalnya, tumbuhan, beberapa hewan, kulit manusia, dll.) digunakan sebagai sumber inspirasi (sebenarnya, pada awalnya mereka disebut bahan bioteknologi). Saat ini, bahan self-healing dapat ditemukan dalam komposit canggih, polimer, logam, keramik, pelapis anti korosi dan cat. Penekanan khusus ditempatkan pada aplikasi mereka dalam aplikasi luar angkasa (penelitian skala besar sedang dilakukan oleh NASA dan Badan Antariksa Eropa), yang dicirikan oleh vakum, perbedaan suhu yang besar, getaran mekanis, radiasi kosmik, serta untuk mengurangi kerusakan. disebabkan oleh tabrakan dengan puing-puing ruang dan mikrometeorit. Selain itu, bahan penyembuhan diri sangat penting untuk industri penerbangan dan pertahanan. Komposit polimer modern yang digunakan dalam aplikasi luar angkasa dan militer rentan terhadap kerusakan yang disebabkan oleh mekanik, kimia, termal, tembakan musuh, atau kombinasi dari faktor-faktor ini. Karena kerusakan di dalam material sulit untuk diperhatikan dan diperbaiki, solusi ideal adalah menghilangkan kerusakan yang terjadi pada tingkat nano dan mikro dan mengembalikan material ke sifat dan kondisi aslinya. Teknologi ini didasarkan pada sistem yang menurutnya bahan tersebut mencakup mikrokapsul dari dua jenis yang berbeda, satu mengandung komponen penyembuhan sendiri dan yang lainnya katalis tertentu. Jika bahan rusak, mikrokapsul hancur dan isinya dapat bereaksi satu sama lain, mengisi kerusakan dan memulihkan integritas bahan. Dengan demikian, bahan-bahan ini sangat berkontribusi pada keamanan dan daya tahan komposit canggih di pesawat modern, sekaligus menghilangkan kebutuhan akan pemantauan aktif yang mahal atau perbaikan dan/atau penggantian eksternal. Terlepas dari karakteristik bahan ini, ada kebutuhan untuk meningkatkan pemeliharaan bahan yang digunakan oleh industri kedirgantaraan, dan nanotube karbon multilayer dan sistem epoksi diusulkan untuk peran ini. Bahan tahan korosi ini meningkatkan kekuatan tarik dan sifat redaman komposit dan tidak mengubah ketahanan kejut termal. Menarik juga untuk mengembangkan material komposit dengan matriks keramik - komposisi matriks yang mengubah setiap molekul oksigen (dipenetrasi ke dalam material akibat kerusakan) menjadi partikel silikon-oksigen dengan viskositas rendah, yang dapat mengalir menjadi kerusakan karena ke efek kapiler dan mengisinya. NASA dan Boeing sedang bereksperimen dengan retakan penyembuhan diri dalam struktur kedirgantaraan menggunakan matriks elastomer polydimethylsiloxane dengan mikrokapsul tertanam.
Bahan self-healing mampu memperbaiki kerusakan dengan menutup celah di sekitar objek yang dilubangi. Jelas, kemampuan seperti itu sedang dipelajari di tingkat pertahanan, baik untuk kendaraan lapis baja dan tank, dan untuk sistem perlindungan pribadi.
Bahan penyembuhan diri untuk aplikasi militer memerlukan evaluasi yang cermat dari variabel yang terkait dengan kerusakan hipotetis. Dalam hal ini, dampak kerusakan tergantung pada:
- energi kinetik akibat peluru (massa dan kecepatan), - desain sistem (geometri eksternal, material, pelindung), dan
- Analisis geometri tumbukan (sudut pertemuan).
Dengan pemikiran ini, DARPA dan Laboratorium Angkatan Darat AS bereksperimen dengan bahan penyembuhan diri paling canggih. Secara khusus, fungsi restoratif dapat dimulai dengan penetrasi peluru di mana dampak balistik menyebabkan pemanasan lokal material, memungkinkan penyembuhan diri.
Studi dan pengujian kaca self-healing sangat menarik, di mana retakan yang disebabkan oleh beberapa tindakan mekanis diisi dengan cairan. Kaca self-healing dapat digunakan dalam pembuatan kaca depan antipeluru kendaraan militer, yang akan memungkinkan tentara untuk mempertahankan visibilitas yang baik. Itu juga dapat menemukan aplikasi di bidang lain, penerbangan, tampilan komputer, dll.
Salah satu tantangan utama di masa depan adalah untuk memperpanjang umur material canggih yang digunakan dalam elemen struktural dan pelapis. Bahan-bahan berikut sedang diselidiki:
- bahan penyembuhan diri berdasarkan graphene (bahan nano semikonduktor dua dimensi yang terdiri dari satu lapisan atom karbon), - resin epoksi canggih, - bahan yang terkena sinar matahari, - mikrokapsul anti korosi untuk permukaan logam, - elastomer yang mampu menahan benturan peluru, dan
karbon nanotube digunakan sebagai komponen tambahan untuk meningkatkan kinerja material.
Sejumlah besar bahan dengan karakteristik ini saat ini sedang diuji dan diselidiki secara eksperimental.
Keluaran
Selama bertahun-tahun, para insinyur sering mengusulkan proyek yang menjanjikan secara konseptual, tetapi tidak dapat mengimplementasikannya karena tidak dapat diaksesnya bahan yang sesuai untuk implementasi praktisnya. Saat ini, tujuan utamanya adalah menciptakan struktur ringan dengan sifat mekanik yang luar biasa. Kemajuan modern dalam material modern (material pintar dan nanokomposit) memainkan peran kunci, terlepas dari semua kerumitannya, ketika karakteristiknya seringkali sangat ambisius dan terkadang bahkan kontradiktif. Saat ini, semuanya berubah dengan kecepatan kaleidoskopik, untuk bahan baru, yang produksinya baru saja dimulai, ada yang berikutnya, di mana mereka melakukan eksperimen dan pengujian. Industri kedirgantaraan dan pertahanan dapat menuai banyak manfaat dari bahan-bahan menakjubkan ini.
