Ingeniører udvikler teknik til at lave adaptive materialer

Ingeniører ved U.S. Army Research Laboratory og University of Maryland har udviklet en teknik, der får et kompositmateriale til at blive stivere og stærkere efter behov, når det udsættes for ultraviolet lys.

Denne on-demand-kontrol af sammensat adfærd kan muliggøre en række nye muligheder for fremtidens Army-rotorcraft-design, ydeevne og vedligeholdelse.

ARL's Dr. Frank Gardea, en forskningsingeniør, sagde, at fokus for forskningen var på at kontrollere, hvordan molekyler interagerer med hinanden. Han sagde, at målet var at "få dem til at interagere på en sådan måde, at ændringer i en lille størrelse, eller nanoskala, kan føre til observerede ændringer i en større størrelse, eller makroskala."

Dr. Bryan Glaz, chefforsker for ARL's Vehicle Technology Directorate sagde "en vigtig motivation for dette arbejde er ønsket om at konstruere nye strukturer, med udgangspunkt i nanoskalaen, at muliggøre avancerede rotorfartøjskoncepter, der er blevet foreslået tidligere, men var uigennemførlige på grund af begrænsninger i nuværende kompositter. En af de vigtigste egenskaber, som disse koncepter forestiller sig, er en væsentligt reduceret vedligeholdelsesbyrde på grund af kompromiser, vi indgår for at flyve med høje hastigheder, han sagde.

Den reducerede planlagte vedligeholdelse af fremtidige hærens luftfartsplatforme er en vigtig teknologisk driver for fremtidige driftskoncepter.

"De forbedrede mekaniske egenskaber med potentielt lav vægtstraffe, muliggjort af den nye teknik, kunne føre til nanokompositbaserede strukturer, der ville muliggøre rotorfartøjskoncepter, som vi ikke kan bygge i dag, " sagde Glaz.

Det fælles arbejde, for nylig udgivet i Avancerede materialegrænseflader , viser, at disse kompositmaterialer kunne blive 93 procent stivere og 35 procent stærkere efter en fem minutters eksponering for ultraviolet lys.

Teknikken består i at vedhæfte ultraviolet lys reaktive molekyler til forstærkende midler som kulstof nanorør. Disse reaktive forstærkende midler indlejres derefter i en polymer. Ved eksponering for ultraviolet lys, en kemisk reaktion sker, således at interaktionen mellem forstærkningsmidlerne og polymeren øges, dermed gøre materialet stivere og stærkere.

Forskerne sagde, at den kemi, der bruges her, generelt er anvendelig til en række forskellige armerings-/polymerkombinationer, hvorved denne kontrolmetodes anvendelighed udvides til en bred vifte af materialesystemer.

"Denne forskning viser, at det er muligt at kontrollere de overordnede materialeegenskaber af disse nanokompositter gennem molekylær ingeniørkunst ved grænsefladen mellem de sammensatte komponenter. Dette er ikke kun vigtigt for grundlæggende videnskab, men også for optimering af strukturel komponentrespons, " sagde Dr. Zhongjie Huang, en postdoc-forsker ved University of Maryland.

Hærens forskere udtænkte denne grundlæggende tilgang til potentialet i "at muliggøre nye spring-forud-kapaciteter til støtte for Future Vertical Lift Army Modernization Priority, " sagde embedsmænd.

"I dette tilfælde, udviklingen af ​​avancerede strukturer for at muliggøre springforud for hærens luftfartskapaciteter, som ikke i øjeblikket er gennemførlige på grund af begrænsninger i mekaniske egenskaber af nuværende materialer, " sagde Glaz. "Dette er især vigtigt for det forventede fremtidige driftsmiljø, som vil kræve længere driftsperioder uden mulighed for at vende tilbage til stationære baser for vedligeholdelse."

Nogle særligt attraktive designmuligheder, der svarer til lavere mekaniske belastninger og vibrationer, kan i øjeblikket ikke opnås på grund af begrænsninger i strukturel dæmpning i hængslede blad- eller vingestrukturer.

Fremtidige strukturer baseret på dette arbejde kan være med til at føre til nye kompositter med kontrolleret strukturel dæmpning og lav vægt, der kan muliggøre lav vedligeholdelse, højhastigheds-rotorfartøjskoncepter, som i øjeblikket ikke er gennemførlige (f.eks. bløde tiltrotorer i planet).

Ud over, kontrollerbar mekanisk reaktion giver mulighed for udvikling af adaptive rumfartsstrukturer, der potentielt kan rumme mekaniske belastningsforhold.

"Hærens forskningslaboratorium og dets partnere vil fortsætte med at investere i nye og soldater-inspirerede teknologier, der vil muliggøre mere pålidelige, højere ydeevne, og spring-forud-kapaciteter, der er nøglen til fremme af næste generations platforme, der bruges af soldater, sagde Elias Rigas, divisionschef for ARL Vehicle Applied Research Division.

Samarbejde mellem ARL og University of Maryland var afgørende for udviklingen af ​​denne metode.

"In our lab at UMD we have been developing unique carbon nanomaterials and chemistry but it was not until Gardea approached us did we become aware of the intriguing challenge and opportunity for reconfigurable composite materials, " said Dr. YuHuang Wang, professor of the Department of Chemistry and Biochemistry at the University of Maryland. "Together we have achieved something that is quite remarkable."