Главное меню

Как умнеют материалы. Макроволоконные композиты компании Smart Materials

Начало 21 века запомнится в истории техники как момент всеобщей интеллектуализации. Действительно, нас окружает все больше вещей и устройств, которые можно называть «умными». Смартфонами («умными телефонами») уже сложно кого-либо удивить; технологии «умного дома» ещё не стали привычными, но уже перестали быть фантастикой. Электроника обретает самостоятельность и способна работать без вмешательства человека. Следующим шагом в развитии умных технологий станет объединение электроники и физических объектов, например, одежды, обуви, корпусов, несущих конструкций. Один из вариантов такого объединения – датчики, актуаторы и генераторы на основе современного «умного» материала MFC.

Макроволоконный композит (Macro Fiber Composite, MFC, Рис. 1) был изобретен инженерами НАСА в 1996 г., а коммерческое его распространение в 2002 г. начала корпорация Smart Material. Его основа – пьезокерамические полоски («волокна»), размещённые в слоёной структуре из адгезива, электродов и полиимидного основания (Рис. 2). Электроды имеют форму гребёнок, соединяющихся непосредственно с полосками из пьезокерамики. Вся структура толщиной несколько десятых долей миллиметра надёжно герметизируется.

Рис. 1. Mатериал MFC. Рис. 2. Структура MFC.

Если к электродам приложить напряжение, полоска MFC изменит форму. Деформируя материал, с электродов можно получать пропорциональные сигналы. Таким образом, на основе MFC можно создать сенсоры деформации (изгиба, кручения, растяжения) и актуаторы (электромеханичесткие подвижные системы Рис. 3). Все варианты применения MFC взаимозаменяемы – то есть, сенсор деформации при приложенном напряжении превратится в актуатор, и наоборот. Еще один вариант использования MFC – микромощные генераторы (харвестеры), преобразующие энергию вибраций в напряжение.

Рис. 3. Применение MFC.

Компания Smart Materials предлагает несколько основных типов материалов MFC:

  • P1 – материал на основе пьезоэлементов d33. Его волокна расположены параллельно стороне. Под действием напряжения материал удлиняется;
  • F1 – также основан на d33. Волокна ориентированы под углом 45°, материал скручивается при приложении напряжения.
  • P2 – анизотропный материал, основанный на пьезоэлементах d31. Под действием напряжения он укорачивается по одному измерению.
  • P3 – ортотропный, также основанный на d31. При приложении напряжения он удлиняется по одному измерению и укорачивается по другому.

Основные характеристики материалов MFC приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Основные свойства материалов MFC
Материал d33 (P1, F1) d31 (P2, P3)
Сила сопротивления, Н 28–1000 в зависимости от ширины
Деформация, ppm/В ~0.75–0.9 ~1.1–1.3
Рабочее напряжение, В от –500 до 1500 от –60 до 360
Рабочая частота актуатор – 10 кГц, сенсор – до 3 МГц
Емкость, нФ 2–12 25–200
Наработка на отказ, циклов актуатор – 108, сенсор – 1011, харвестер – 1010
Рабочая температура, °С до 130 (высокотемпературная версия)

Материалы P2 и P3 разработаны для применения в микромощных виброгенераторах. Они отличаются высокой ёмкостью, небольшим выходным напряжением и высокой способностью генерации электрического заряда (Табл. 2). Так как, в отличие от прочих виброгенераторов, эти материалы поставляются «сами по себе» (то есть, не закреплёнными на основаниях или несущих элементах), их можно устанавливать на любые узлы существующих конструкций либо использовать для создания нерезонансных харвестеров.

Таблица 2. Выход энергии с MFC, присоединённых к кантилеверу, при ускорении 1 g, частоте колебаний 10 Гц и деформации 800 ppm
Материал Энергия, полученная в течение 30 с,
мДж
Энергия, полученная за 1 с,
мДж
М8528Р2 120 4
М8557Р2 290 9.7
М8585Р2 390 13

Высокая чувствительность MFC и возможность одновременной работы как актуаторами, так и сенсорами открывают новые горизонты перед разработчиками самых разных изделий. Вот лишь несколько областей, где может применяться MFC:

  • авиастроение: датчики деформаций, вибраций, состояния несущих элементов корпуса, изменение геометрии лопастей и крыльев (Рис. 4);
  • машиностроение: управление точечной сваркой, позиционирование, волновая дефектоскопия, высокочастотные клапаны и вентили;
  • автомобильная промышленность: антикрылья с изменяемой геометрией, датчики вибрации, ультразвуковые излучатели, интерфейсы управления с обратной связью;
  • потребительская электроника: встроенные в одежду, обувь, пол генераторы энергии, спортивное оборудование, автономные системы безопасности.
Рис. 4. Модель самолета с крылом изменяемой геометрии на основе MFC.

О компании

Корпорация Smart Material была основана в 2000 г. в городе Сарасота, штат Флорида, США. Основное направление работы корпорации – разработка и производство пьезоэлектрических материалов и систем на их основе.

Посмотреть подробные характеристики MFC материалов

Последние новости

13.09.2014
Компания Allegro MicroSystems, LLC представила новую ИС датчика тока, которая является экономическим и точным решением для AC токового считывания в промышленных, коммерческих...
08.09.2014
Солнечные панели, которые мы видим сегодня, должны быть жесткими и черными. Органическая фотоэлектрическая технология, наоборот, дает более прозрачные и гибкие солнечные...

Реклама

Видео