Умные материалы. Виды и технологии умных материалов

Умные материалы представляют собой новое поколение материалов, которые способны реагировать на атмосферное давление, температуру, изменений в химическом составе и другие параметры.

К группе умных материалов относят адаптивные материалы:

1. Пассивные, в которые вводят детекторы (в виде волокон, пленок и других элементов), изменяющие свои характеристики при внешних воздействиях.
2. Реактивные — сами реагируют на внешние воздействия.
3. Интеллектуальные — не только реагируют на внешние воздействия, но и сами обеспечивают устранение их последствий, то есть самовосстанавливаются.

Пьезоэлектрические материалы составляют самую большую долю на рынке. Механические деформации или напряжения могут вызывать электрические диполи в этих материалах, которые генерируют электричество. Пьезоэлектричество может генерироваться различными источниками, включая природные кристаллы и синтетические кристаллы.

Наблюдается растущий спрос на пьезоэлектрические устройства в различных отраслях, в том числе в аэрокосмической и оборонной, автомобильной, медицинской, информационной, коммуникационной и обрабатывающей промышленности.

Нитинол, сплавы на основе меди и различные полимеры с памятью формы широко используются в приводах, двигателях, датчиках и конструкционных изделиях. Всё чаще данные материалы находят применение в медицинских целях, включая хирургические устройства, протезы.

Рисунок 20 — Нитинол

Ниже приведены примеры технологий, обеспечиваемых применением умных материалов:

1. Материалы с повышенной тепловой и электрической проводимостью уже используются в коммерческих целях и приобретает все большую популярность. Существуют различные пути повышения проводимости, прежде всего за счет включения наноуглерода (графена и углеродных нанотрубок) или металлических добавок, покрытий, матов и проводов. Основными направлениями материалов с повышенной теплопроводностью являются системы антиобледенения, системы подогрева инструмента и рассеивания тепла. Электропроводность наиболее востребована транспортным сектором (защита от удара молнии, защита от электромагнитных помех, электростатические покрытия и др.). Также значительную долю рынка занимают аккумуляторы на основе лития, солнечные панели и электронные компоненты.
2. Материалы со встроенными датчиками могут обеспечивать мониторинг деталей в режиме реального времени как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации. Мониторинг состояния конструкций является сложной задачей для композитных деталей с целью обнаружения расслоения, трещин или любых других признаков механической усталости. В этой области существует множество конкурентных технологий, включая ряд волоконно-оптических датчиков (FOS), пьезоэлектрические пластины и многое другое.
3. Материалы, способные хранить энергию, наиболее актуальны в контексте электрификации автомобильной промышленности. Компания IDTechEx считает, что внедрение таких материалов будет проходить в два этапа: первый этап — встраивание обычных литий-ионных аккумуляторов в композитные ламинарные структуры, цель второго этапа в том, чтобы сам материал действовал как аккумулятор.
4. Материалы с механизмами адаптивного реагирования являются одним из направлений, в котором активно проводятся тесты и эксперименты во многих высокотехнологичных отраслях:

• Материалы пассивной группы используют для диагностики конструкций из полимерных композитов, армированных волокнистыми наполнителями. Они работают на принципе самоконтроля состояния изделий с помощью встроенных в их структуру датчиков. Характерным признаком этих материалов является появление сигнала датчика о возникших в материале изменениях при внешних воздействиях. Наибольшее развитие получили волоконно-оптические датчики, которые идеально подходят к структуре и технологии получения полимерных волокнистых композитов.
• Реактивные материалы и конструкции имеют различные типы реагирования на изменения окружающей среды. К самым простым системам можно отнести конструкции рабочих органов машин для земляных работ, которые изменяют свою структуру или форму при механических воздействиях. К ним относятся самозатачивающиеся зубья, ножи и режущие кромки элементов рабочего оборудования. Они имеют двухслойную структуру из разнородных материалов, отличающихся различной износостойкостью. При контакте с грунтом материал нижнего слоя изнашивается быстрее материала верхнего слоя, что обеспечивает постоянную острую кромку режущего элемента при эксплуатации. К этой же категории можно отнести отвалы и ковши с изменяемой формой. В зависимости от категории трудности разработки грунта они могут изменять свою форму благодаря демпферам (механическим или гидравлическим), обеспечивая оптимальную энергоемкость процесса резания или копания грунта.
• К группе интеллектуальных материалов относятся системы, которые обладают способностью не только производить самодиагностику, но и осуществлять самовосстановление. Примером могут служить самовосстанавливающиеся полимеры, в объеме которых равномерно распределены микроконтейнеры (микрокапсулы или полые микроволокна) с восстанавливающим веществом. В группу интеллектуальных материалов включают такие материалы, как аэрогель, материалы с памятью формы, высокотемпературные сверхпроводники, стекло с редкоземельными металлами, ДНК-листы, метаматериалы, гидрофобные поверхности, биоразлагаемые материалы, перовскит.

Аэрогель

Аэрогелями называют класс материалов, имеющих структуру с открытой пористостью микро- и нанодиапазона и большими площадями поверхности (900 м2/г или более). Пористость аэрогеля превышает 90%.

Характерные свойства аэрогеля:

• низкая плотность;
• низкая теплопроводность (до 0,016 Вт/(м·K)), в 10 раз ниже, чем у дерева;
• низкая скорость распространения звука (до 70 м/с);
• низкий коэффициент преломления света (до 1,0002);
• электрическая проводимость может меняться в широких пределах в зависимости от используемого материала.
• отношение площади полной поверхности к весу: до 3200м2/г. (это означает, что если представить площадь всей поверхности в виде единой плоскости, то одного грамма этого материала хватит, чтобы покрыть половину футбольного поля).

В основе уникальных свойств аэрогелей лежит их пространственная структура с открытыми порами. От материала стенок зависят механические свойства, а также электропроводность конкретного аэрогеля.

Структуру аэрогеля образуют сферические кластеры из кварца диаметром примерно 0,004 мкм, формирующие трехмерную сетку, поры которой заполнены воздухом. Размеры пор в десять и более раз превышают размеры кластеров, что и позволяет получать очень легкий материал. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2-5 нм и пор размерами до 100 нм.

Процесс получения аэрогелей:

• формирование геля в среде соответствующего растворителя посредством золь-гель процесса;
• сушка в специальных условиях.

Рисунок 21 — Аэрогель из диоксида кремния

Материалы с памятью формы

Эффект памяти формы (ЭПФ) — явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации.

Также обнаружено множество сплавов, обладающих в разной степени свойствами «памяти формы» :Ni–Al, Ni–Co, Ni–Ti; Ti–Nb; Fe–Ni; Cu–Al, Cu–Al–Ni и др.

Механизм реализации эффекта памяти формы:

1. В исходном состоянии в материале существует определенная структура (на рисунке обозначена правильными квадратами).
2. При деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются. В материалах с памятью формы мартенсит является термоупругим.
3. При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, т.е. в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние.
4. Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму.

Эффект памяти формы зависит от марки сплава со строго выдержанным химическим составом. От этого зависит температура мартенситных превращений. Эффект памяти формы проявляется только при термоупругих мартенситных превращениях. Эффект памяти формы может проявляться несколько миллионов циклов.

Мартенситное превращение (МП) полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов происходит путём их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с межатомным расстоянием.

Рисунок 22 — Эффект памяти формы

Высокотемпературные сверхпроводники

Высокотемпературные сверхпроводники — это все известные в настоящее время оксиды, большинство из которых содержат медь, но имеются также и соединения без меди. Особое значение в оксидных высокотемпературных сверхпроводниках имеет состояние кислородной подрешетки, т.е. концентрация, структурное положение и подвижности атомов кислорода в кристаллической структуре. Это вызвано тем, что с кислородом в оксидных сверхпроводниках связывают как понимание природы высокотемпературной сверхпроводимости, так и объяснение нестабильности свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

Высокотемпературными сверхпроводниками считают сверхпроводники, имеющие критические температуры выше 30К (-243 °С). Иногда граничной температурой между сверхпроводниками и высокотемпературными сверхпроводниками считают температуру кипения азота — это 77 К (-196 °С).

На сегодняшний день самой высокой критической температурой считают температуру, равную 260 К (-13 °С). При такой температуре выявили сверхпроводящие свойства у сжатого супергидрида лантана.

Явление сверхпроводимости заключается в полной утрате материалом электрического сопротивления при охлаждении ниже характерной для данного материала критической температуры. Особое значение высокотемпературной сверхпроводимости заключается в возможности практического использования без сильного охлаждения или с более дешевыми и удобными охладителями (жидким водородом, азотом, метаном).

Сущность высокотемпературной сверхпроводимости заключается в том, что система электронов в таких соединениях является латтинжеровской жидкостью в нормальном состоянии и состоянии сверхпроводимости.

В настоящее время развиваются две технологии производства высокотемпературных сверхпроводников:

• ВТСП-проводники первого поколения – композиционные ленточные проводники (или листы) в серебряной оболочке на основе керамики соединения Bi2Sr2Ca2Cu3Ox – Bi-2223/Ag/
• ВТСП-проводники второго поколения – металлические ленты с нанесенным на них слоем ВТСП-соединения YBa2Cu3Ox–Y-123 (или R-123, где R–редкоземельный элемент).

Стекло с редкоземельными металлами

Редкоземельные элементы проявляют между собой большое сходство химических и некоторых физических свойств, что объясняется почти одинаковым строением наружных электронных уровней их атомов. Все они металлы серебристо-белого цвета, при том все имеют сходные химические свойства (наиболее характерна степень окисления +3).

Название «редкоземельные» было дано в связи с тем, что такие металлы:

• редко встречаются в земной коре (содержание (1,6-1,7) 10−2% по массе);
• образуют тугоплавкие, практически не растворимые в воде оксиды (такие оксиды в начале XIX века и ранее назывались «землями»).

Монокристаллические соединения редкоземельных элементов, а также стёкла применяют для создания лазерных и других оптически активных и нелинейных элементов в оптоэлектронике. На основе Nd, Y, Sm, Er, Eu с Fe-B получают сплавы с рекордными магнитными свойствами (высокие намагничивающая и коэрцитивная силы) для создания постоянных магнитов огромной мощности, по сравнению с простыми ферросплавами.

ДНК — коробочки

Технологии сборки двух- и трехмерных конструкций из нуклеиновых кислот получили название ДНК-оригами.

Комплементарные взаимодействия между нуклеотидами, составляющими нить ДНК, позволили ученым сконструировать такую цепочку, которая самопроизвольно собирается в структуру наноразмерной коробки с откидывающейся крышкой.

Такие коробочки можно наполнить лекарственными препаратами и использовать для точной доставки. Также ДНК-коробки исследуют на возможность применения в качестве логических элементов вычислительной цепи.

ДНК представляет собой идеальный материал для конструирования микроскопических объектов с заранее определенной последовательностью элементов, определяющих свойства молекулы. В результате отдельные нити могут самопроизвольно собираться в «гармошки» квадратной формы на основе комплиментарного взаимодействия нуклеотидов.

«Крышки» этих коробочек при нормальных условиях остаются закрытыми, однако при добавлении в среду определенных небольших фрагментов ДНК составлявшие крышки нуклеотиды связываются с ними, и  открывают крышки. Это происходит следующим образом: к крышке и прилегающей стенке были прикреплены молекулы красителей, которые флуоресцировали красным, когда находились в непосредственной близости друг от друга, и зеленым, когда расходились подальше.

Рисунок 23 — ДНК-коробки

Метаматериалы

Метаматериалы выделены в отдельный класс материалов, так как их свойства зависят от структуры компонентов, упорядоченных особым образом, и могут кардинально отличаться от свойств составляющих их компонентов. К метаматериалам такого типа относятся, например, синтетические дихроичные материалы, состоящие из изотропных компонентов: именно асимметричная структура композитного материала, приводит к появлению анизотропии формы.

Существуют метаматериалы с многократно увеличенными электрической проницаемостью и магнитной восприимчивостью, метаматериалы, эффективность нелинейных эффектов в которых увеличивается на много порядков по сравнению с обычными веществами. Например, эффективность гигантского комбинационного рассеяния может возрастать в 106 раз по сравнению с вынужденным комбинационным рассеянием в компонентах, на порядки увеличивается эффективность генерации второй и третьей гармоник.

Хотя возможность управления структурой компонентов материала дает новую степень свободы в конструировании их свойств, однако настоящую революцию произвели работы, продемонстрировавшие возможность создания метаматериалов со свойствами, которые не встречаются в природных материалах. Один из наиболее известных классов метаматериалов — метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления, у которых одновременно отрицательны диэлектрическая и магнитная проницаемость.

Существование веществ с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями было теоретически обосновано в работе В.Г. Веселаго, вышедшей в 1967 г. Как показал В.Г. Веселаго, такие вещества характеризуются отрицательными значениями показателя преломления, а многие оптические свойства существенно отличаются от свойств традиционных материалов. Природных материалов с такими свойствами пока не обнаружено. Экспериментально вещества с отрицательным показателем преломления в радиодиапазоне электромагнитных волн были созданы в 1999 г.

В настоящее время ведутся работы по созданию и исследованию метаматериалов с отрицательным показателем преломления в оптическом диапазоне. Все созданные искусственно материалы с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями в оптическом диапазоне являются композитами, содержащими металлические и диэлектрические компоненты.

Весьма перспективным классом метаматериалов являются фотонные кристаллы, в частности резонансные фотонные кристаллы.

Рисунок 24 — Фотонно-кристаллический волновод

Рисунок 25 — Фотонный кристалл чешуек крыла бабочки

Гидрофобные покрытия

Цветок лотоса обладает необычными физико-химическими свойствами. Благодаря особому строению и очень высокой гидрофобности его листьев и лепестков цветы лотоса остаются чистыми.

Эффект лотоса был открыт в семидесятых годах 20 века немецким ботаником, профессором Вильгельмом Бартлоттом. При помощи электронной микроскопии было обнаружено, что поверхность листа имеет особый рельеф в виде «шипов», образованных гидрофобными веществами. Капля воды на такой поверхности имеет малую площадь соприкосновения, не может удерживаться на ней и скатывается, унося с собой пыль, сажу, споры грибов и другие загрязнения поверхности, что и приводит к эффекту самоочищения.

Под эффектом лотоса в настоящее время в науке понимают эффект практически полной несмачиваемости поверхности твердого тела жидкостью, возникающий из-за особенностей рельефа данной поверхности на микро- и наноуровне, приводящих к снижению площади контакта жидкости с поверхностью данного тела. Есть множество примеров, демонстрирующих широкое применение технологий на основе «эффекта лотоса», но большинство из них относятся к созданию специальных покрытий для автомобилей – для корпуса, окон, пропитки тентов и пр. Нанотехнологии на основе этого явления помогли увеличить срок эксплуатации автомобильных покрытий, защитить внешний вид автомобиля от постоянных угроз внешней среды.

Рисунок 26 — Капля на поверхности лотоса

Биоразлагаемые материалы

Материалы, которые под действием солнечного света или микроорганизмов быстро разлагаются на безвредные компоненты.

В настоящее время создан пластик, основанный на биополимере. В отличие от синтетических пластмасс, он создан из компонентов, существующих в природе. Это значит, есть бактерии, которые им питаются и разлагают его. Одним из таких полимеров является крахмал. Он находится в растениях и является питательной средой для микроорганизмов.

Выделяют три вида биопластиков:

1. Биопластик, изготовленный из термопластической смолы на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (АБС-полимер). Это биологические полимеры растительного происхождения. Комбинирование разных смол позволяет менять свойства пластика. АБС-пластик считается одним из самых прочных. Из него изготавливают корпусы мебели, детали автомобиля. При изоляции от внешней среды период службы увеличивается в разы.
2. Полигидроксиалканоат — полимер, синтезированный бактериями. В отсутствии азота и фосфора некоторые бактерии выделяют PHA, который впоследствии служит для них источником дополнительной энергии. Это вещество обладает свойством образовывать полимеры, а главное — в отсутствии нужных бактерий устойчив к разложению. Полное разложение происходит за 7 – 10 недель.
3. Полилактид — материал, изготовленный из молочной кислоты. Молочная кислота — распространенное вещество, используемое большим количеством бактерий в энергетическом процессе. Такой полимер обладает высокой прочностью, прозрачностью и жаростойкостью. На разложение в присутствии кисломолочных бактерий уходит до 90 дней.

Рисунок 27 — Процесс разложения бутылки из биопластика

Перовскит

Перовскиты — класс минералов с псевдокубической кристаллической структурой. Перовскит представляет собой любой материал с кристаллической структурой подобной природному минералу перовскиту (CaTiO3).

Перовскиты — это смешанные оксиды металлов с формулой ABX₃, где A — катион металла группы s-, dили f-элементов, B — катион малоразмерного переходного металла и X = O, F, N. Элементарная ячейка перовскита состоит из правильных октаэдров, образованных шестью анионами X, причем октаэдры ВX₆ соединены вершинами и образуют трехмерный каркас, в пустотах которого располагаются катионы А, окруженные двенадцатью атомами X (правильные кубооктаэдры).

Таким образом, структура является кубической с двумя типами катионных позиций. Природные соединения с такой структурой — перовскит, лопарит и силикатный перовскит бриджманит. С момента открытия перовскитных солнечных элементов, которые содержат перовскиты на основе галогенида метиламмония и свинца, в 2009 году возник значительный исследовательский интерес к перовскитным материалам.

Перовскитовые материалы обладают множеством привлекательных свойств как с теоретической, так и с практической точки зрения.

Колоссальное магнитосопротивление, сегнетоэлектричество, сверхпроводимость, зарядовое упорядочение, спин-зависимый перенос, высокая термо-ЭДС и взаимодействие структурных, магнитных и электрон-транспортных свойств. Эти соединения используются в качестве датчиков и каталитических электродов в некоторых типах топливных элементов и являются кандидатами для устройств памяти и приложений спинтроники. Многие сверхпроводящие керамические материалы (высокотемпературные сверхпроводники) имеют перовскитоподобную структуру. Одним из ярких примеров является оксид иттрия-бария-меди, который может быть изолирующим или сверхпроводящим в зависимости от содержания кислорода.

Рисунок 28 — Перовскит, кристаллическая решетка

Структура перовскита с общей химической формулой ABX3. Красные сферы – это атомы X (обычно кислород), синие сферы — это атомы B (меньший катион металла, например Ti 4+ ), а зеленые сферы — это атомы A (более крупный катион металла, такой как Ca 2+ ).

Преимущества и недостатки технологии умных материалов

Преимущества умных материалов:

• возможность задавать определенные свойства материала и использовать их в зависимости от задачи;
• расширение возможностей уже существующих материалов путём интеграции с ними;
• комбинирование свойств различных типов умных материалов, путём их совместного использования в одной структуре (например аэрогель с нанотрубками).

Недостатки умных материалов:

• На данный момент существуют проблемы с производством многих материалов данной группы в промышленных масштабах, поэтому их серийное использование ограничено.
• Высокая стоимость производства.

К данной группе относится большое количество материалов, каждый из которых обладает своим набором
свойств.

Преимущества и недостатки должны анализироваться индивидуально в зависимости от целей и назначения применяемого умного материала.