Что такое смарт материалы
Что такое смарт материалы
Типы «интеллектуальных» материалов (подробно рассмотрены в научной статье «Умные» материалы и их применение (обзор)):
— сплавы с «эффектом памяти» после деформации восстанавливают свою первоначальную форму при нагреве.
— пьезоэлектрики вырабатывают электричество при приложении механической нагрузки. Или же наоборот при приложении электрического напряжения материал может изгибаться, расширяться или сжиматься.
— фотомеханические материалы, изменяющие форму под воздействием света.
— магнитореологические жидкости – их реологические свойства изменяются при наложении магнитного поля. В отсутствие магнитного поля такие жидкости представляют собой суспензию хаотически расположенных магнитных микрочастиц (чаще всего железа) в жидкости (различные масла и др.). В магнитном поле частицы выстраиваются в цепочки вдоль силовых линий, резко увеличивая тем самым вязкость в направлении перпендикулярном направлению поля.
— магнитострикционные материалы – меняют форму в магнитном поле. Имеет место и обратный эффект – при приложении механической нагрузки, у образца изменяется намагниченность.
— электрострикционные материалы – похожи на магнитострикционные, с той лишь разницей, что прикладывается электрическое поле.
— электрохромные материалы, меняющие оптические свойства при электрических воздействиях. Примером таких «умных» материалов являются жидкокристаллические дисплеи.
— пироэлектрики – при изменении температуры вырабатывают электричество и наоборот.
— «умные» гели, способные сжиматься или набухать по сравнению с исходными габаритами на порядки (до 1000 раз).
В таблице 1 приведено сравнение характеристик основных коммерчески успешных «интеллектуальных» материалов: нитинола (сплав с «памятью формы»), Терфенола-Д (магнитострикционный материал) и цирконата титаната свинца PZT (пьезоэлектрик).
Таблица 1. Сравнение характеристик основных «интеллектуальных» материалов.
Текстурирование — создание смарт-материала в Substance Painter
В этом текстовом уроке я расскажу о создании smart (смарт) материала в Substance Painter. Урок предназначен для начинающих и тех, кто уже освоился, но всё ещё нуждается в практике, в частности в работе со слоями, масками, генераторами и фильтрами.
Работать буду в Substance Painter версии 6.2.2 — если ваша версия одна из более ранних, то у вас может недоставать каких то файлов или отличатся интерфейс.
Для примера создам простой материал старой краски, местами выцветшей, с царапинами и грязью. Если вам будет это интересно, то в следующем уроке покажу процесс на более сложном примере.
Это папка с предустановленными настройками слоёв, генераторов и масок. Смарт-материалы автоматизируют большую часть процесса текстурирования и экономят время.
Если у вас отсутствует такой проект, добавьте свою модель или бесплатно скачайте эту сферу на substance share.
В проекте уже всё настроено, нужно только удалить текущие слои, так как мы будем делать материал с нуля. Ещё я отключил пост-эффекты за ненадобностью, но если вам нравятся блики металла, то оставьте.
Сейчас я не буду вдаваться в подробности запекания карт и для чего конкретно нужна каждая. Если вы ещё не разобрались в запекании, то советую посмотреть этот урок.
Начнём с металла — создайте папку с заливочным слоем и настройте его. Мои параметры будут такими: Metallic чуть ниже максимального — 0,9; Roughness ближе к глянцу — 0,25; Base Color — серый.
Сразу задавайте имена слоям и папкам, чтобы не путаться в дальнейшем.
В текущем виде металл выглядит слишком идеальным, добавим шероховатости при помощи фильтра.
Это различные эффекты для преобразования текстуры, цвета и масок, они добавляют рельеф, градиенты, сглаживают или наоборот повышают четкость краев. Фильтры, как и материалы с генераторами создаются в программе Substance Designer.
Перейдём к краске, добавляю ещё один заливочный слой, его положение будет над металлом. Тут возникает проблема — рельеф нижнего слоя металла переносится на слой краски, где его не должно быть.
В Substance Painter, как и в Photoshop, можно смешивать слои разными методами, но не весь слой, а отдельно по каналам.
Ранее я писал, что фильтр MatFinish Grainy добавляет шум в канале Normal. В окне Layers, над слоями переключаемся на Normal и для краски выбираем другой метод смешивания — подойдёт Replace (Заменять). Теперь рельеф от фильтра будет проявляется только на не покрытом металле.
Создадим царапины. Для этого понадобится маска для слоя краски и генератор. Правой кнопкой мыши по слою и в меню выбирайте Add black mask или белую — не имеет значения, так как её целиком окрасит генератор.
Обратите внимание, что генераторы, фильтры и прочее можно применять к слоям и к маскам одновременно, сейчас нужно добавить генератор к маске, как на скриншоте ниже.
Генератор смешивает маски между собой, позволяет редактировать и изменять их для достижения желаемого результата. Выбранный мною генератор сначала использует запеченную карту Curvature для обозначения углов на модели, затем смешивает её с текстурой царапин — таким образом мы получаем эффект износа.
Выбранный генератор прост и в нём не так много параметров, их предназначение можно понять по названию.
Попробуйте покрутить все параметры, чтобы посмотреть разницу и на что они влияют. Можете повторить значения, которые выставил я, или настроить по-своему.
Вернемся к слою краски — надо его настроить, сделать более глянцевым (параметр Roughness) и добавить неровности между слоями. Поднимите параметр height (высота) на 0,01 — это добавит детализации.
Это будет третий, заливочный слой поверх предыдущих. Зададим тёмный цвет, высокое значение шероховатости (Roughness) и Metallic на ноль. Это будет тонкий слой пыли, поэтому каналы height и normal не нужны, можно отключить за ненадобностью или не трогать.
Сейчас грязи слишком много и не хватает хаотичности. Чтобы это исправить настроек самого генератора недостаточно, поэтому добавим в маску ещё одну текстуру.
Чтобы увидеть текстуру маски на геометрии, зажмите клавишу ALT и левой кнопкой мыши кликнете на маску слоя или переключитесь в углу 3D-окна. Чтобы вернутся в режим отображения материала нажмите «M» (англ.).
Сейчас подтёки идут в разных направлениях, чтобы это исправить в окне Properties измените метод проецирования текстуры, UV planar на Tri-planar — что это такое, я писал выше. После переключения должно появиться гизмо (стрелочки XYZ) для перемещения текстуры. Остальные параметры я оставлю стандартными.
Маску генератора и выбранной текстуры смешаем так, чтобы подтёки удаляли маску от генератора. В окне Layers для маски с заливкой смените метод с Normal на Subtract (вычитать).
Теперь грязи стало меньше и появились подтёки, словно предмет слегка очистился под дождем.
Материал почти готов, но я хочу показать ещё некоторые возможности редактирования масок. Добавим эффект выцветания краски, словно она долгое время была на солнце и в верхней части геометрии слегка поблекла.
Сделайте ещё один слой между краской и грязью, отключите в нём все каналы, кроме цвета, поставьте белый. Далее, как обычно, добавьте маску и ячейку генератора. Тут нужен градиент, и подойдёт генератор с названием Position — для своей работы он использует одноимённую текстуру, где отмечено, в каком положении находится модель, где у неё верх, а где низ.
При помощи этой функции мы можем регулировать баланс цвета. Она не создаёт новую текстуру, а редактирует созданную, поэтому её положение должно быть над генератором.
Нижние ползунки отвечают за общий уровень цвета, если поведёте белый влево, то его яркость будет снижаться, аналогично и с чёрным. Верхние ползунки регулируют среднее значение между цветами.
Теперь отрегулируем прозрачность белого слоя так, чтобы красный цвет преобладал больше. В окне Layers выберете канал Base Color для слоя с белым цветом и выставите значение Opacity на 10 единиц (цифры под режимом смешивания), чтобы белый был едва заметен.
Думаю, на этом можно закончить. Не забывайте, что для уникальных и интересных текстур никогда не достаточно накинуть готовые смарт материалы, это лишь пресеты для экономии времени.
Умные материалы как двигатель промышленного прогресса
Сегодня чтобы контролировать работу устройств, нет необходимости присутствовать во время процесса его работы, достаточно установить специальный датчик — получаем smart-устройство. Но что если в качестве материала для производства техники, будет использоваться сам датчик. То есть техника становится более совершенной еще в момент ее создания, и фиксировать и подстраиваться под те или иные изменения умные материалы будут самостоятельно?
Что такое умные материалы
Это новое поколение текстур, которые способны реагировать на атмосферное давление, температуру, изменений в химическом составе и прочие параметры. Новинка в корне меняет наши знания о сырье как таковом, т.к. новые материалы способны копить и записывать полученные сведения на «облако», и уже в процессе менять свои характеристики, подстраиваясь под условия. Словно улучшенная версия человеческой кожи.
Изотропная эра, прощай
На протяжении многих лет при разработке тех или иных устройств, инженерами использовались изотропные материалы – те, поведение которых можно было предсказать. Например, всем известно, как будет вести себя металлическая конструкция, подверженная сильному холоду или наоборот излишне повышенной температуре.
Сегодня в производстве начинается новый этап – использование анизотропных материалов с гибкими свойствами. Это позволяет совершать ранее невозможные процессы.
Так, например, крыло самолета будет изготовлено из изотропных материалов, но покрыто слоем наносенсоров, которые будут реагировать на любые воздействия. В случае повреждения, сенсоры посылают сигнал к микросферам (как нервная система), наполненным пластичным материалом. Он высвобождает свое содержимое, тем самым восстанавливая целостность крыла.
Материал уже заинтересовал производственных гигантов, таких как компания Airbus, которая приступила к тщательному исследованию умных материалов на базе Университета Бристольского национального композитного центра (Великобритания). В случае успеха, разработчики вплотную приблизятся к внедрению умных материалов в самолетостроение.
Применение умных материалов в разных отраслях
Автомобильная промышленность
Над проектом Hack Rod (Южная Калифорния, США) работает множество энтузиастов, целью которых является создание первого в мире автомобиля из умных композитных материалов и оснащенным искусственным интеллектом.
Строительство
Потенциал смарт-материалов может быть использован практически в любой сфере, в том числе и строительстве. Это может быть самовосстанавливающееся дорожное покрытие, или умный бетон для возведения устойчивых к разрушениям зданий.
Текстильная отрасль
Сложно себе представить, но возможно в будущем, одежда также сможет регенерировать поврежденные участки. В научном комплексе AFFOA разрабатывают уникальную ткань, которая в дополнение ко всему прочему, сможет накапливать и преобразовывать энергию, следить за состоянием здоровья владельца, подстраиваться под особенности его фигуры.
Для экипировки военнослужащих также могут появиться новые возможности. Smart одежда позволит быстро адаптироваться к погодным условиям: удерживать тепло во время холодной погоды, и наоборот становится максимально вентилируемой в жаркие дни.
И даже пыль будет умной
Правда, не совсем пыль, т.к ее частицы будут размером как рисовое зерно. Тем не менее, каждая часть будет оснащена чипом, поглощающим направленную на него радиоволну и под ее воздействием выдающий соответствующую информацию, например идентификационный код. «Smart dust mote» уже используется в сети магазинов торговой компании Walmart, для слежения за своими товарами.
Ученые достигли определенных успехов в своих попытках создать совершенный материал, однако пока не удалось побороть существенный недостаток – высокая стоимость на обслуживание производственного процесса. Но, несмотря на это, уже сейчас можно смело утверждать, что умные материалы откроют новые перспективы для любых производств и нашу повседневную жизнь.
«Умные» материалы и их применение (обзор)
Научный журнал «Видеонаука»
Аннотация. В настоящее время можно наблюдать зарождение и развитие нового поколения материалов – «умных» материалов. В данной статье рассмотрены основные виды «умных» материалов, их свойства и применение.
Ключевые слова: «умный», материал, память формы, самовосстанавливающийся, самосмазывающийся, самоочищающийся, проводящий полимер, магнитореологический, электрореологический, электрохромный, гидрогель
Выпуск
Ссылка на статью
2016
Кокцинская Е.М. «Умные» материалы и их применение (обзор) // Видеонаука: сетевой журн. 2016. №1(1). URL: https://videonauka.ru/stati/13-tekhnicheskie-nauki/42-umnye-materialy-i-ikh-primenenie-obzor (дата обращения 19.06.2016).
Умные материалы и их применение
Периоды эволюции историки классифицируют, в том числе, по материалам, которые в то время были внедрены – каменный век, бронзовый век и железный век. В 20-м веке человечество начало активно использовать не природные, а синтетические материалы. Во второй половине 20-го века возникло множество новых классов материалов. Особенное место среди них занимают композиционные материалы, которые состоят, как минимум, из двух компонентов – наполнителя, который внедрен в полимерную, керамическую или металлическую матрицу. Характерной особенностью композитов является то, что комбинация из двух или более составных частей создаёт материал с новыми свойствами, превосходящими свойства компонентов по отдельности, хотя и за счет более сложной технологии изготовления. Кроме того, путём предварительного моделирования структуры этих материалов можно получать композиты с различными свойствами в зависимости от направления. Таким образом, к концу 20-го века учёные научились создавать материалы с необходимыми свойствами.
Относительно недавно возникла и начала стремительно развиваться новая область материаловедения, изучающая материалы, свойства которых могут меняться в зависимости от внешних факторов. Это новое поколение материалов называется «умные» или «интеллектуальные» материалы (англ. – «smart materials»). Отличительными чертами «умных» материалов являются их дополнительные функциональные возможности, которые выходят за пределы свойств, определяющихся структурой материала. Такие материалы выполняют двойную или даже тройную функцию – собственно материала с требуемыми характеристиками, датчика на внешнее воздействие и, в некоторых случаях, устройства, «запрограммированного» на определенное поведение. И всё достигается только благодаря структуре и составу этих революционных материалов.
Самое интересное, что прообразом таких материалов служат способности природных объектов, как из растительного, так и из животного мира. В качестве примера можно привести открытие-закрытие лепестков цветка в зависимости от освещённости, «эффект лотоса», листья которого не смачиваются водой, или заживление ран у людей и животных. Ясно, что если способности биологических систем развивались на протяжении тысячелетий, то они достойны изучения и, может быть, последующего копирования в инженерном контексте.
В данной статье приведен краткий обзор основных современных «умных» материалов и областей их применения.
Сплавы с «эффектом памяти» («памятью формы») после деформации восстанавливают свою первоначальную форму при нагреве.
Сплав с «эффектом памяти» фиксируют в исходной форме, которую он и «запоминает», затем подвергают отжигу при 500 0 С. В процессе отжига образуется неупругая твердая высокотемпературная фаза сплава – аустенит. При последующем охлаждении образца формируется упругая, легко деформируемая низкотемпературная фаза – мартенсит. При последующей деформации и нагреве сплава атомы образуют аустенитную решетку и форма образца восстанавливается.
Наиболее известным сплавом с эффектом памяти является никелево-титановый сплав нитинол [2].
Сплавы с «эффектом памяти» нашли множество применений. Например, в медицине, устройствах автоматического включения/выключения, регуляторах. Например, пружинная шайба из такого сплава для болтовых соединений не дает увеличиваться переходному сопротивлению при эксплуатации электрического контакта 4.
Самовосстанавливающиеся материалы могут самостоятельно залечивать возникающие в них дефекты [8, 9]. На сегодняшний день самовосстановление наиболее успешно реализовано в полимерах, благодаря их относительно большим скоростям диффузии из-за наличия поперечных молекулярных связей. Один из способов создания самовосстанавливающихся полимеров состоит в использовании термореактивных полимеров и их способности к упрочнению за счет сшивания полимерных цепей.В полимер внедряют тонкостенные инертные хрупкие капсулы с залечивающим веществом, при возникновении трещины капсула ломается, залечивающий агент высвобождается и распространяется в трещину по капиллярам. При этом он смешивается с катализатором и отвердителем, заранее внедрёнными в материал (отдельно друг от друга), затвердевает и герметизирует трещины (Рисунок 1).
Помимо полимеров, в настоящее время разрабатываются керамические самовосстанавливающиеся материалы. В самовосстанавливающихся керамических материалах часто используются окислительные реакции, при этом объем оксида превышает объем исходного материала. Как результат, продукты этих реакций из-за увеличения объема могут быть использованы для заполнения небольших трещин [17].
Самовосстановлению бетона посвящено много исследований [18]. Дефекты бетона залечивали с помощью водного раствора, содержащего ионы кальция [19] или с помощью суперабсорбирующего полимера, который при воздействии влажности набухает и герметизирует трещины [20]. К омпозит из полых стеклянных волокон и воздухоотверждаемого герметика, встроенного в бетонную матрицу, также демонстрировал эффект самовосстановления, но у него наблюдалась значительная (10-40 %) потеря жесткости по сравнению со стандартным бетоном из-за наличия волокон [21]. Ситуация, когда следует искать компромисс между самовосстановлением и механическими свойствами, в целом достаточно типична.
Металлические материалы гораздо труднее самозалечивать по сравнению с полимерами, поскольку атомы металла сильно связаны между собой, имеют небольшие размеры и низкие коэффициенты диффузии. В настоящее время существует три основных направления, на основе которых конструируются самовосстанавливающиеся металлические системы.
Во-первых, это формирование осадка на дефектных местах, который останавливает дальнейший рост разрушения. Данный механизм получил название «предотвращение повреждения», потому что идея состоит в предотвращении образования пустот диффузией осадка из перенасыщенного твердого раствора (сплава) [22].
Кроме того, используется другой подход: укрепление матрицы из сплава микроволокнами или нитями, изготовленными из сплава с памятью формы, например, нитинола. Если композит подвергается растрескиванию, нагрев материала активирует восстановление формы нитей с «эффектом памяти», которые сжимают трещины и закрывают их [23] (Рисунок 2).
Третий подход заключается в использовании залечивающего агента (например, сплава с низкой температурой плавления), встроенного в металлическую матрицу, аналогично тому, как это делается в полимерах [24].
Эффект самовосстановления используют в аэрокосмической промышленности [29], для антикоррозийной защиты металлов [30], там где требуется восстанавливать механические и геометрические свойства [31] и заживлять повреждения после баллистического удара снаряда [32].
Самосмазывающиеся материалы уменьшают трение или износ. Существует несколько методов уменьшения трения или износа поверхностей материалов. Один из них – это нанесение самосмазывающихся покрытий, которые либо достаточно прочны, чтобы уменьшать износ, либо имеют низкую поверхностную энергию и за счет этого уменьшают адгезию и трение. Также разрабатываются самосмазывающиеся металлические, полимерные и керамические композиты. Например, в нанокомпозитах наполнитель, углеродные нанотрубки или фуллерены С60, играют роль «подшипников» и уменьшают трение. В композит, изготовленный на основе меди методом порошковой металлургии, добавляли политетрафторэтилен [33], а пористый полифениленсульфидный композит модифицировали добавлением 1 %масс. цеолита и пропитали составом на литиевой основе, что позволило уменьшить коэффициент трения на 90% [34].
Один из методов создания самосмазывающихся материалов заключается в формировании слоя смазки в процессе трения за счет химической реакции. Такая реакция может происходить вследствие механического контакта. Защитный слой меди, например, образуется при трении на металлической поверхности за счет переноса ионов меди из медьсодержащих сплавов (например, бронзы) или смазки. Также защитный слой может быть образован при химической реакции окисления или реакции с водяным паром.
Оксид бора реагирует с водяными парами в воздухе с образованием защитного покрытия из борной кислоты:
Защитное покрытие, в свою очередь, приводит к снижению трения и износа. Благодаря слоистой кристаллической структуре, борная кислота похожа на другие твердые частицы, с хорошими смазывающими свойствами (например, MoS2, графит и гексагональный нитрид бора) [2, 35-38]. Для объяснения механизма самосмазывания некоторыми исследователями предложена модель триклинной кристаллической структуры борной кислоты. Атомы, составляющие каждую молекулу борной кислоты, расположены в плотно упакованных слоях, находящихся на расстоянии 0,318 нм друг от друга, которые связаны слабыми силами, такими как ван-дер-Ваальсовы. Авторы предположили, что во время скольжения эти слои могут выравниваться параллельно направлению относительного движения и потом они легко скользят друг относительно друга, обеспечивая низкий коэффициент трения [24].
Еще один способ создания самосмазывающихся материалов – это создание микротекстурированной поверхности, за счет чего образуется рельеф с микровпадинами, которые играют роль резервуаров для смазки.
Свойство самоочистки микроструктрированных поверхностей основано на том, что микроструктуры и узоры могут поддерживать капельку воды с воздухом, заключенным в промежутках между структурами. Такой тип соприкосновения увеличивает угол контакта с водой благодаря поверхностному натяжению и, следовательно, капелька воды может перекатываться по микроструктурированной поверхности, удаляя тем самым пыль, т.е. обеспечивая самоочистку [39, 40].
Формулы, описывающие основные соотношения [39]:
Рисунок 3 – Капля жидкости на микроструктурированной поверхности.
Суперотталкивающие свойства придают тканям функцию самоочистки, включающую в себя как физическое очищение от загрязнений, процесс химической самоочистки, который заключается в деградации цветных пятен и растворов при воздействии УФ-облучения, и биологическую – антибактериальные свойства. Например, свойства самоочистки придает ткани из хлопка добавление наночастиц TiO2 44 или наностержней ZnO [46, 47].
Самоочищающееся покрытие на основе TiO2 может также использоваться для защиты исторических зданий и памятников 49.
Проводящие полимеры (полимеры с собственной проводимостью).
Существование электропроводности в проводящих полимерах объясняется тем, что в местах дефектов их структуры возникает неспаренный электрон, который может передвигаться вдоль полимерной цепи. Легирование проводящего полимера акцепторами или донорами электронов приводит к увеличению его электропроводности за счет уменьшения энергии, требующейся для образования подвижного электрона.
Самыми известными и широко применяемыми проводящими полимерами являются полианилин и полипиррол [51].
Максимальная электропроводность наблюдается в чистых ориентированных полимерах с большой молекулярной массой. Наибольшие полученные значения составляют
Мечта о том, что проводящие полимеры заменят медь в электрических проводах, пока не осуществилась. Полианилин для этого достаточно стабилен, но его электропроводность гораздо ниже и удельная теплоемкость меньше по сравнению с обычными металлами, поэтому любая неоднородность в составе может привести к локальному перегреву и выходу такого полимерного проводника из строя [53].
Применяют проводящие полимеры в качестве химических сенсоров, что основано на изменении их свойств при взаимодействии с соединениями и ионами, обладающими окислительно-восстановительной активностью. Простейший сенсор такого типа представляет собой полимерную пленку, находящуюся между электродами, сопротивление которой контролируется при воздействии активного химического соединения. Например, свойство полианилина обратимо изменять цвет в зависимости от кислотности среды используется для создания измерителя рН. Датчик наличия газов на основе полианилина, в частности, на газообразный аммиак и на диоксид азота обладает достаточно высокой чувствительностью.
Кроме этого, проводящие полимеры могут использоваться в качестве антистатических покрытий [57, 58], повышения огнестойкости тканей [59] создания биосовместимых материалов, аккумуляторов, конденсаторов и др.
На основе полианилина делают композиты, например, с никелевыми ферритовыми наночастицами в качестве наполнителя [60] или добавлением различных химических веществ, при этом улучшая его свойства, например, механические и электрические 62. Композит из полиакрилонитрила с добавлением 3 % масс. полианилина и 1 % масс. AgNO3 демонстрирует антимикробную активность [64]. Композиты из полианилина и резины предлагают использовать для электромагнитного экранирования [65]. При использовании смеси полианилин/поливинилхлорид в качестве защитного покрытия электрических контактов уменьшалась фреттинг-коррозия и износ контактов [66].
Магнитореологические и электрореологические жидкости – в магнитном или, соответственно, электрическом поле резко увеличивают вязкость.
Типичная магнитореологическая жидкость представляет собой суспензию, состоящую из магнитных микрочастиц, жидкости (масла, воды или гликоля) и предотвращающих оседание частиц специальных добавок. В отсутствие магнитного поля частицы жидкости распределяются хаотично, а при приложении поля выстраиваются в цепочки вдоль силовых линий, при этом вязкость в направлении перпендикулярном полю резко возрастает (Рисунок 4). После снятия магнитного поля повышенная вязкость жидкости исчезает.
а – хаотичное расположение частиц;
б – формирование цепочек из частиц при воздействии магнитного поля
Исследованию магнитореологических жидкостей посвящено множество работ: моделированию [67], исследованию влияния шероховатости поверхности на взаимодействие между частицами [68], влиянию внешнего давления на свойства [69], испытаниям на старение [70], изучению стабильности мультикомпонентных жидкостей, содержащих как магнитные (железо), так и немагнитные частицы (полиметилметарилат) [71] и др.
Электрореологическая жидкость представляет собой раствор частиц в непроводящей жидкости. Принцип увеличения вязкости такой же, как и для магнитореологических жидкостей. Под воздействием электрического поля частицы наполнителя приобретают разнополярные поверхностные заряды, которые и заставляют их выстраиваться в цепочки вдоль линий поля.
На свойства электрореологических жидкостей влияют напряженность электрического поля, температура, скорость сдвига [72], площадь поверхности частиц [73], тип наполнителя [74].
Электрохромные материалы меняют оптические свойства при электрических воздействиях.
Электрохромными свойствами обладают и некоторые полимеры, например, содержащие карбазол [77]. Композитные плёнки из полианилина и полиакриловой кислоты меняют цвет от жёлтого до пурпурного [78].
Как правило, низковольтные электрохромные устройства с изменяющим цвет катодом окрашиваются в заряженном состоянии и обесцвечиваются при разряде.
В настоящее время основное применение электрохромных устройств – это «умные окна», т.е. окна с электронным управлением, которые могут становиться прозрачными или затемненными и приспосабливаться к количеству солнечного света в зависимости от времени дня и сезона. «Умные окна» позволяют уменьшить энергопотребление в зданиях и создать комфортную атмосферу внутри [79, 80].
«Умные» гидрогели способны набухать по сравнению с исходными габаритами на порядки (до 1000 раз). Гидрогели имеют сетчатую, «сшитую» структуру и состоят из гидрофильных гомо- или сополимеров (Рисунок 5). Важные параметры, определяющие структуру и свойства разбухших гидрогелей, объемная доля полимера в разбухшем гидрогеле ν, молекулярная масса полимерной цепи между точками сшивки Мс и размер ячейки сетки структуры ξ.
Объемная доля полимера в разбухшем гидрогеле характеризует количество жидкости, которое гидрогель может вобрать [1]:
Мс – молекулярная масса полимерной цепи между местами сшивки;
Набухание гидрогелей происходит в ответ на изменение окружающей их среды. Гидрогели могут изменять степень разбухания при изменении pH, температуры, типа жидкости, электромагнитного поля.
Гидрогели предлагается использовать в медицине в качестве биосовместимых материалов [81], например, для систем доставки лекарств 84 или бактерицидных покрытий медицинских инструментов [85]. Недавно разработанный гидрогель ведет себя как искусственный мускул, сжимаясь в одном направлении и расширяясь в другом, не требуя поглощения или выделения воды [86] (см. видео к статье, часть 3). Гидрогелевые слоистые композиты, каждый слой которых обладает разной чувствительностью, позволяют создавать на их основе новые типы датчиков, мембраны и др. [87].
Также к «умным» материалам относятся:
— магнитострикционные и электрострикционные материалы, которые меняют форму в магнитном или электрическом поле, соответственно;
— пьезоэлектрики вырабатывают электричество при приложении механической нагрузки;
— фотомеханические материалы изменяют форму под воздействием света;
— пироэлектрики вырабатывают электричество при изменении температуры.
«Умные» материалы уже широко применяются в современном мире. Примером электрохромных материалов являются жидкокристаллические дисплеи, а на основе пьезоэлектриков разрабатывают носимую или встраиваемую в одежду электронику, которая работает от движения человека. Автомобильная краска может залечивать свои царапины, специальные материалы изменением цвета реагируют на присутствие вредных веществ в окружающей среде [92], а мебель складывается сама [93, 94] (см. видео к статье, часть 4). Поверхности не загрязняются, металлические детали после деформации возвращаются к своей исходной форме, а «умные» окна способны заменить кондиционер, поскольку пропускают больше или меньше света, сами реагируя на внешнюю температуру – всё вышеперечисленное уже реальность.
В данной статье мы кратко рассмотрели основные виды современных «умных» материалов и области их применения. Каждый тип этих материалов настолько уникален, что ему можно посвятить отдельную обзорную статью.
Таким образом, в настоящее время мы являемся свидетелями перехода от использования материалов свойства которых определяются только их структурой к высшему классу «умных» многофункциональных материалов со свойствами, реагирующими на внешние факторы, которые смогут усовершенствовать многие виды товаров и способствовать появлению новых.
Автор выражает благодарность за предоставление разрешения на использование в статье видеофрагментов: Dr. Skylar Tibbits (Massachusetts Institute of Technology, USA), Dr. Yasuhiro Ishida ( RIKEN Center for Emergent Matter Science, Japan), Dr. Michael R. Kessler (Washington State University, USA), Dr. Anatoliy Vorobyev (University of Rochester, USA).
Список литературы:
1. Ency с lopedia of smart materials/[redactor Mel Schwartz]. New York: John Wiley and Sons, Inc., 2002 – 1193 p.
3. Yu K., Liu Y., Leng J. Conductive Shape Memory Polymer Composite Incorporated with Hybrid Fillers: Electrical, Mechanical, and Shape Memory Properties // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2011. Vol. 22. P. 369-379.
4. Мышкин Н.К., Кончиц В.В., Браунович М. Электрические контакты. – М.: Интеллект, 2008. – 560 с.
5. Faria C., Lopes Junior V., Inman D. Modeling and Experimental Aspects of Self-healing Bolted Joint through Shape Memory Alloy Actuators // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2011. Vol. 22. P. 1581-1594.
7. Ghorashi M., Inman D. Shape Memory Alloy in Tension and Compression and its Application as Clamping Force Actuator in a Bolted Joint: Part 2 – Modeling // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2004. Vol. 15. P. 589-600.
8. Kessler M. Self-healing: a new paradigm in materials design // Proc. IMechE Part G: J. Aerospace Engineering. 2007. Vol. 221. P. 479-495.
9. Saavedra Flores E., Friswell M., Xia Y. Variable stiffness biological and bio-inspired materials // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2013. Vol. 24. №5. P. 529–540.
10. Moll J., White S., Sottos N. A Self-sealing Fiber-reinforced Composite // Journal of Composite Materials. 2010. Vol. 44. № 22. P. 2573-2585.
11. Haiyan L., Rongguo W., Wenbo L. Preparation and self-healing performance of epoxy composites with microcapsules and tungsten (VI) chloride catalyst // Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2012. V ol. 31. № 13. P. 924-932.
12. Sanada K., Mizuno Y., Shindo Y. Damage progression and notched strength recovery of fiber-reinforced polymers encompassing self-healing of interfacial debonding // Journal of Composite Materials. 2015, Vol. 49. №14. P. 1765–1776.
13. Tripathi M. et al. Application of microencapsulated unsaturated polyester toward temperature-triggered healing in epoxy composites // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2015. doi: 10.1177/1045389X15600083.
14. Pingkarawat K. et al. Healing of fatigue delamination cracks in carbon–epoxy composite using mendable polymer stitching // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2014. Vol 25. №1. P. 75–86.
15. Kwok N., Hahn H. T. Resistance Heating for Self-healing Composites // Journal of Composite Materials. 2007. Vol. 41. № 13. P. 1635-1654.
16. Park J. et al. Towards Development of a Self-Healing Composite using a Mendable Polymer and Resistive Heating. Journal of Composite Materials. 2008. Vol. 42. № 26. P. 2869-2881.
17. Yoshioka S., Nakao W. Methodology for evaluating self-healing agent of structural ceramics // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2015. Vol. 26. №11. P. 1395–1403.
18. Han B. et al. Smart concretes and structures: A review // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2015. Vol. 26. №11. P. 1303–1345.
19.Huang H., Ye G. Self-healing of cracks in cement paste affected by additional Ca2+ ions in the healing agent // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2015. Vol. 26. №3. P. 309–320.
20. Snoeck D. et al. Self-healing cementitious materials by the combination of microfibres and superabsorbent polymers // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2014. Vol 25. №1. P. 13–24.
21. Li V.C., Lim Y.M., Chan Y.-W. Feasability study of a passive smart self-healing cementions composite // Composites Part B: Engineering. 1998. Vol. 29(6). P. 819–827.
22. Shinya N., Kyono J., Laha K. Self-healing Effect of Boron Nitride Precipitation on Creep Cavitation in Austenitic Stainless Steel // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2006. Vol. 17. P. 1127-1133.
23. Bor T. et al. Modeling of Stress Development During Thermal Damage Healing in Fiber-reinforced Composite Materials Containing Embedded Shape Memory Alloy Wires // Journal of Composite Materials. 2010. Vol. 44. № 22. P. 2547-2572.
24. M. Nosonovsky, P.K. Rohatgi. Biomimetics in material science. Springer, 2012. 415 p.
25. Olugebefola S. et al. Polymer Microvascular Network Composites // Journal of Composite Materials. 2010. Vol. 44. № 22. P. 2587-2603.
26. Fehrman B., Korde U. Targeted delivery of acoustic energy for self-healing // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2013. V ol. 24. № 15. P. 1865-1887.
27. Soroushian P., Nassar R., Balachandra A. Piezo-driven self-healing by electrochemical phenomena // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2013. Vol. 24(4). P. 441–453.
28. Atay H., Celik E. Multifunctional polymer composites: Antibacterial, flame retardant, radar absorbing and self-healing // Journal of Composite Materials. 2015. Vol. 49. № 20. P. 2469–2482.
29. Williams H., Trask R., Bond I. A probabilistic approach for design and certification of self-healing advanced composite structures // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part O: J. Risk and Reliability. 2011. Vol. 225. P. 435-449.
30. Brancart J. et al. Atomic force microscopy–based study of self-healing coatings based on reversible polymer network systems // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2014. Vol 25. № 1. P. 40–46.
31. Phillips D., Baur J. A Granular Core for Self-healing, Variable Modulus Sandwich Composites // Journal of Composite Materials. 2010. Vol. 44. № 22. P. 2527-2545.
32. Haase T., Rohr I., Thoma K. Dynamic temperature measurements on a thermally activated self-healing ionomer // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2014. Vol 25. № 1. P. 25–30.
33. Chen S. et al. Preparation of novel polytetrafluoroethylene/copper-matrix self-lubricating composite materials // Journal of Composite Materials. 2014. Vol. 48. № 13. P. 1561–1574.
34. Wang H. et al. Tribological performances on porous polyphenylene sulfide self-lubricating composites with super wear resistance // Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2014. Vol 27. № 1. P. 82–92.
35. Srikant R.R., Ramana V., Vamsi Krishna P. Development and performance evaluation of self-lubricating drill tools // Journal of Engineering Tribology. 2015. Vol. 229. № 12. P. 1479–1490.
36. Suiyuan C. et al. Synthesis of New Cu-based Self-lubricating Composites with Great Mechanical Properties // Journal of Composite Materials. 2011. Vol. 45. № 1. P. 51-63.
37. Suiyuan C. et al. Effect of BN fraction on the mechanical and tribological properties of Cu alloy/BN self-lubricating sleeves // Journal of Сomposite Materials. 2015. Vol. 49. № 30. P. 3715–3725.
38. Singh S. et al. Microstructural analysis and tribological behavior of aluminum alloy reinforced with hybrid alumina/nanographite particles // Journal of Engineering Tribology. 2015. Vol. 229. № 5. P. 597–608.
39.Kong L. B., Cheung C. F., To S. Design, fabrication and characterization of three-dimensional patterned microstructured surfaces with self-cleaning properties from hydrophilic materials // Journal of Engineering Manufacture. 2012. V. 226. №9. P. 1536–1549.
41. Scarratt L. et al. Durable Superhydrophobic Surfaces via Spontaneous Wrinkling of Teflon AF // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016. DOI: 10.1021/acsami.5b12165.
42. Ibrahim N., Refaie R., Ahmed A. Novel Approach for Attaining Cotton Fabric with Multi-Functional Properties // Journal of Industrial Textiles. 2010. V ol. 40. № 1. P. 65-83.
43. Sundaresan K. et al. Influence of nano titanium dioxide finish, prepared by sol-gel technique, on the ultraviolet protection, antimicrobial, and self-cleaning characteristics of cotton fabrics // Journal of Industrial Textiles. 2012. Vol. 41. № 3. P. 259-277.
44. Qi K., Wang X., Xin J. H. Photocatalytic self-cleaning textiles based on nanocrystalline titanium dioxide // Textile Research Journal. 2011. Vol. 81. № 1. P. 101-110.
45. Lee H. J., Kim J., Park C. H. Fabrication of self-cleaning textiles by TiO2-carbon nanotube treatment // Textile Research Journal. 2014. Vol 84. № 3. P. 267–278.
46. Ashraf M. et al. Study the multi self-cleaning characteristics of ZnO nanorods functionalized polyester fabric // Journal of Industrial Textiles. 2014. doi: 10.1177/1528083714562086.
47. Ashraf M. et al. Photocatalytic solution discoloration and self-cleaning by polyester fabric functionalized with ZnO nanorods // Journal of Industrial Textiles. 2015. Vol. 44. № 6. P. 884–898.
48. Ranogajec J. et al. Protection of Cultural Heritage Objects with Multifunctional Advanced Materials // Progress in Cultural Heritage Preservation – EUROMED. 2012. P.255-258.
49. Goffredo G. B. et al. TiO2 nanocoatings for architectural heritage: Self-cleaning treatments on historical stone surfaces // Journal of Nanoengineering and Nanosystems. 2014. Vol. 228. № 1 P. 2–10.
50. Hadnadjev M. et al. Design of self-cleaning TiO2 coating on clay roofing tiles // Philosophical Magazine. 2010. V. 90. № 22. P. 2989-3002.
51. Yanılmaz M., Sarac A. S. A review: effect of conductive polymers on the conductivities of electrospun mats // Textile Research Journal. 2014. Vol. 84. № 12. P. 1325–1342.
54. Ates M., Kalender O. Comparison of anticorrosion behavior of polyaniline and poly(3,4-methylenedioxyaniline) and their titanium dioxide nanocomposites // High Performance Polymers. 2015. Vol. 27. № 6. P. 685–693.
55. Tiitu M. et al. Aminic epoxy resin hardeners as reactive solvents for conjugated polymers: polyaniline base/epoxy composites for anticorrosion coatings // Polymer. 2005. V. 46. P. 6855–6861.
57. Hoghoghifard S., Mokhtari H., Dehghani S. Improving the conductivity of polyaniline coated polyester textile by optimizing the synthesis conditions // Journal of industries textiles. 2015. DOI: 10.1177/1528083715594981.
58. Muthukumar N., Thilagavathi G., Kannaian T. Polyaniline-coated nylon lycra fabrics for strain sensor and electromagnetic interference shielding applications // High Performance Polymers. 2015. Vol. 27. № 1. P. 105–111.
59. Yu J. et al. Flame retardancy and conductive properties of polyester fabrics coated with polyaniline // Textile Research Journal. 2015. doi: 10.1177/0040517515606360.
60. Prasanna G.D. Synthesis and characterization of magnetic and conductive nickel ferrite–polyaniline nanocomposites // Journal of Composite Materials. 2015. Vol. 49. № 21. P. 2649–2657.
61. Kumar V. et al. Mechanical and electrical properties of PANI-based conductive thermosetting composites // Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2015. Vol. 34. № 16. P. 1298–1305.
64. Eren O. et al. Synergistic effect of polyaniline, nanosilver, and carbon nanotube mixtures on the structure and properties of polyacrylonitrile composite nanofiber // Journal of Composite Materials. 2015. doi: 10.1177/0021998315601891.
65. Al-Ghamdi A.A. et al. On the prospects of conducting polyaniline/natural rubber composites for electromagnetic shielding effectiveness applications // Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2014. Vol. 27. № 6. P. 765–782.
66. Lam Y.-Z., Swingler J., McBride J. W. The Contact Resistance Force Relationship of an Intrinsically Conducting Polymer Interface // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 2006. Vol. 29. № 2. P. 294-302.
67. Ghaffari A., Hashemabadi S. H., Ashtiani M. A review on the simulation and modeling of magnetorheological fluids // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2015. Vol. 26. № 8. P. 881–904.
69. Spaggiari A., Dragoni E. Enhanced properties of magnetorheological fluids: Effect of pressure // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2015. Vol. 26. № 14. P. 1764–1775.
71. Iglesias G. R. et al. Stability behavior of composite magnetorheological fluids by an induction method // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2015. Vol. 26. № 14. P. 1836–1843.
72. Freyer H. et al. Scale effects of the rheological properties of electrorheological suspensions // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2015. Vol. 26. № 14. P. 1856–1860.
73. Ma L., Zheng F., Zhao X. Sedimentation behaviour of hierarchical porous TiO2 microspheres electrorheological fluids // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2015. Vol. 26. № 14. P. 1936–1944.
74. Korobko E. V. et al. Time stability studies of electrorheological response of dispersions with different types of charge carriers // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2015. Vol. 26. № 14. P. 1782–1788.
75. Borin D., Stepanov G. Elastomer with magneto- and electrorheological properties // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2015. Vol. 26. № 14. P. 1893–1898.
76. Eshaghi M., Sedaghati R., Rakheja S. Dynamic characteristics and control of magnetorheological/electrorheological sandwich structures: A state-of-the-art review // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2015. doi: 10.1177/1045389X15620041.
77. Vacareanu L., Catargiu A.-M., Grigoras M. Spectroelectrochemical characterization of isomeric conjugated polymers containing 2,7- and 3,6-carbazole linked by vinylene and ethynylene segments // High Performance Polymers. 2015. Vol. 27. № 4. P. 476–485.
80. Wang M. et al. Binary Solvent Colloids of Thermosensitive Poly(N-isopropylacrylamide) Microgel for Smart Windows // Industrial & Engineering Chemistry Research . 2014. V. 53. № 48. P. 18462–18472. DOI: 10.1021/ie502828b.
81. Nonoyama T., Gong J. P. Double-network hydrogel and its potential biomedical application: A review // Journal of Engineering in Medicine. 2015. Vol. 229. № 12. P. 853–863.
82. Zhang D. et al. Electroactive hybrid hydrogel: Toward a smart coating for neural electrodes // Journal of Bioactive and Compatible Polymers. 2015. Vol. 30. № 6. P. 600–616.
83. M. Jaiswal, V. Koul. Assessment of multicomponent hydrogel scaffolds of poly(acrylic acid-2-hydroxy ethyl methacrylate)/gelatin for tissue engineering applications // Journal of Biomaterials Applications. 2013. V. 27. № 7. P. 848–861.
84. Nistor M. T. et al. Biocompatibility, biodegradability, and drug carrier ability of hybrid collagen-based hydrogel nanocomposites // Journal of Bioactive and Compatible Polymers. 2013. V. 28. № 6. P. 540–556.
85. Cometa S. et al. Analytical characterization and antimicrobial properties of novel copper nanoparticle–loaded electrosynthesized hydrogel coatings // Journal of Bioactive and Compatible Polymers. 2013. V. 28. № 5. P. 508–522. DOI: 10.1177/0883911513498960.
89. P. F. Pai. Metamaterial-based Broadband Elastic Wave Absorber // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2010. Vol. 21. P. 517-528.
91. Restrepo-Flórez J. M., Maldovan M.. Mass Separation by Metamaterials // Scientific Reports. 2016. V. 6. DOI: 10.1038/srep21971.
94. Correa D. et al. 3D-Printed Wood: Programming Hygroscopic Material Transformations // 3D Printing and Additive Manufacturing. 2015. Vol. 2. № 3. P. 106-116. doi:10.1089/3dp.2015.0022.
Abstract. Now it is possible to observe the emergence and development of a new generation of materials – “smart” materials. This article describes the main types of “smart” materials, their properties and applications.
Key words: «smart», material, shape memory, self-healing, self-lubricating, self-cleaning, conductive polymer, magnetorheological, electrorheological, electrochromic, hydrogel.