I "materiali non tradizionali" sono una delle aree più importanti dello sviluppo tecnologico nell'industria militare e aerospaziale. I materiali devono fare di più che fungere da struttura di supporto: devono essere materiali intelligenti
I materiali intelligenti sono una classe speciale di materiali che hanno la capacità di agire come attuatore e come sensore, fornendo le necessarie deformazioni meccaniche associate a variazioni di temperatura, corrente elettrica o campo magnetico. Poiché i materiali compositi sono composti da più di un materiale e grazie ai moderni progressi tecnologici, è ora possibile includere altri materiali (o strutture) nel processo di fornitura di funzionalità integrate in aree quali:
- Morphing, - Autoguarigione, - Percezione, - Protezione contro i fulmini, e
- Stoccaggio di energia.
Ci concentreremo sulle prime due aree in questo articolo.
Materiali morphing e strutture morphing
I materiali morphing includono quei materiali che, seguendo i segnali in ingresso, cambiano i loro parametri geometrici e che sono in grado di ripristinare la loro forma originale quando i segnali esterni si fermano.
Questi materiali, per la loro reazione sotto forma di cambiamento di forma, vengono utilizzati come attuatori, ma possono essere utilizzati anche in modo opposto, ovvero come sensori in cui un'influenza esterna applicata al materiale si trasforma in un segnale. Le applicazioni aerospaziali di questi materiali sono molteplici: sensori, attuatori, interruttori in installazioni e apparati elettrici, avionica e connessioni in sistemi idraulici. I vantaggi sono: eccezionale affidabilità, lunga durata, assenza di perdite, bassi costi di installazione e una significativa riduzione della manutenzione. In particolare, tra gli attuatori realizzati con materiali morphing e leghe a memoria di forma, rivestono particolare interesse gli attuatori per il controllo automatico dei sistemi di raffreddamento dell'avionica e gli attuatori per la chiusura/apertura delle serrande di guida negli impianti di condizionamento dell'abitacolo.
I materiali che cambiano forma a seguito dell'applicazione di un campo elettrico includono materiali piezoelettrici (il fenomeno della polarizzazione di materiali con una struttura cristallina sotto l'azione di sollecitazioni meccaniche (effetto piezoelettrico diretto) e deformazioni meccaniche sotto l'azione di un campo elettrico (effetto piezoelettrico inverso)) e materiali elettrostrittivi. La differenza sta nella risposta a un campo elettrico applicato: un materiale piezoelettrico può allungarsi o accorciarsi, mentre un materiale elettrostrittivo si allunga solo, indipendentemente dalla direzione del campo applicato. Nel caso dei sensori, la tensione generata dalla sollecitazione meccanica viene misurata ed elaborata per ottenere informazioni sulla sollecitazione stessa. Questi materiali con effetto piezoelettrico diretto sono ampiamente utilizzati nei sensori di accelerazione e carico, sensori acustici. Altri materiali basati sull'effetto piezoelettrico inverso sono utilizzati in tutti gli attuatori; sono spesso utilizzati nei sistemi ottici per i satelliti da ricognizione, in quanto sono in grado di regolare la posizione di lenti e specchi con precisione nanometrica. I suddetti materiali sono anche inclusi nelle strutture morphing al fine di alterare determinate caratteristiche geometriche e conferire speciali proprietà aggiuntive a queste strutture. Una struttura morph (chiamata anche struttura intelligente o struttura attiva) è in grado di rilevare i cambiamenti nelle condizioni esterne a causa del funzionamento del sistema sensore/trasduttore elettromeccanico integrato. In questo modo (per la presenza di uno o più microprocessori e dell'elettronica di potenza) si possono indurre opportune variazioni in accordo con i dati provenienti dai sensori, permettendo alla struttura di adattarsi alle variazioni esterne. Tale monitoraggio attivo è applicabile non solo a un segnale di ingresso esterno (ad es. pressione meccanica o cambiamento di forma), ma anche a cambiamenti nelle caratteristiche interne (ad es. danni o guasti). L'ambito di applicazione è piuttosto ampio e comprende sistemi spaziali, aerei ed elicotteri (controllo di vibrazioni, rumore, cambiamento di forma, distribuzione delle sollecitazioni e stabilità aeroelastica), sistemi marini (navi e sottomarini), nonché tecnologie di protezione.
Una delle tendenze alla riduzione delle vibrazioni (vibrazioni) che si verificano nei sistemi strutturali è molto interessante. Sensori speciali (costituiti da ceramiche piezoelettriche multistrato) sono posti nei punti più sollecitati per rilevare le vibrazioni. Dopo aver analizzato i segnali indotti dalle vibrazioni, il microprocessore invia un segnale (proporzionale al segnale analizzato) all'attuatore, che risponde con un opportuno movimento in grado di inibire le vibrazioni. L'Office of Applied Aviation Technology dell'esercito americano e la NASA hanno testato sistemi attivi simili per ridurre le vibrazioni di alcuni elementi dell'elicottero CH-47, nonché gli aerei di coda del caccia F-18. La FDA ha già iniziato a integrare materiali attivi nelle pale del rotore per controllare le vibrazioni.
In un rotore principale convenzionale, le pale risentono di elevati livelli di vibrazioni causate dalla rotazione e da tutti i fenomeni correlati. Per questo motivo, e al fine di ridurre le vibrazioni e facilitare il controllo dei carichi agenti sulle lame, sono state testate lame attive con un'elevata capacità di flessione. In un particolare tipo di test (detto "circuito di torsione incorporato"), al variare dell'angolo di attacco, la lama viene attorcigliata per tutta la sua lunghezza grazie alla fibra composita attiva AFC (fibra elettroceramica incorporata in una matrice polimerica morbida) integrata nella struttura della lama. Le fibre attive sono impilate in strati, uno sopra l'altro, sulle superfici superiore e inferiore della lama con un angolo di 45 gradi. Il lavoro delle fibre attive crea uno stress distribuito nella pala, che provoca una corrispondente flessione su tutta la pala, che può bilanciare la vibrazione dell'oscillazione. Un altro test ("attivazione di oscillazioni discrete") è caratterizzato dall'uso diffuso di meccanismi piezoelettrici (attuatori) per il controllo delle vibrazioni: attuatori sono posti nella struttura della pala per controllare il funzionamento di alcuni deflettori posti lungo il bordo di uscita. Si verifica così una reazione aeroelastica in grado di neutralizzare la vibrazione generata dall'elica. Entrambe le soluzioni sono state valutate su un vero elicottero CH-47D in un test chiamato MiT Hower Test Sand.
Lo sviluppo di elementi strutturali morphing apre nuove prospettive nella progettazione di strutture di maggiore complessità, mentre il loro peso e costo sono significativamente ridotti. Una marcata riduzione dei livelli di vibrazione si traduce in: maggiore durata della struttura, minori controlli sull'integrità strutturale, maggiore redditività dei progetti finali poiché le strutture sono soggette a meno vibrazioni, maggiore comfort, migliori prestazioni di volo e controllo del rumore negli elicotteri.
Secondo la NASA, si prevede che nei prossimi 20 anni la necessità di sistemi aeronautici ad alte prestazioni che diventeranno più leggeri e compatti richiederà un uso più ampio di progetti di morphing.
Materiali autorigeneranti
I materiali autoriparanti appartenenti alla classe dei materiali intelligenti sono in grado di riparare autonomamente i danni causati da stress meccanici o influenze esterne. Nello sviluppo di questi nuovi materiali, sono stati utilizzati come fonte di ispirazione sistemi naturali e biologici (ad esempio piante, alcuni animali, pelle umana, ecc.) (infatti, all'inizio erano chiamati materiali biotecnologici). Oggi, i materiali autorigeneranti possono essere trovati in compositi avanzati, polimeri, metalli, ceramiche, rivestimenti e vernici anticorrosione. Particolare enfasi è posta sulla loro applicazione nelle applicazioni spaziali (la ricerca su larga scala è condotta dalla NASA e dall'Agenzia spaziale europea), che sono caratterizzate da vuoto, grandi differenze di temperatura, vibrazioni meccaniche, radiazioni cosmiche, nonché per ridurre i danni causati da collisioni con detriti spaziali e micrometeoriti. Inoltre, i materiali autorigeneranti sono essenziali per l'industria dell'aviazione e della difesa. I moderni compositi polimerici utilizzati nelle applicazioni aerospaziali e militari sono suscettibili di danni causati da fuoco meccanico, chimico, termico, nemico o da una combinazione di questi fattori. Poiché i danni all'interno dei materiali sono difficili da notare e riparare, la soluzione ideale sarebbe eliminare il danno che si è verificato a livello nano e micro e ripristinare le proprietà e le condizioni originali del materiale. La tecnologia si basa su un sistema secondo il quale il materiale comprende microcapsule di due tipi diversi, uno contenente un componente autorigenerante e l'altro un determinato catalizzatore. Se il materiale è danneggiato, le microcapsule vengono distrutte e il loro contenuto può reagire tra loro, riempiendo il danno e ripristinando l'integrità del materiale. Pertanto, questi materiali contribuiscono notevolmente alla sicurezza e alla durata dei compositi avanzati negli aerei moderni, eliminando al contempo la necessità di un costoso monitoraggio attivo o di riparazioni e/o sostituzioni esterne. Nonostante le caratteristiche di questi materiali, è necessario migliorare la manutenibilità dei materiali utilizzati dall'industria aerospaziale e per questo ruolo vengono proposti nanotubi di carbonio multistrato e sistemi epossidici. Questi materiali resistenti alla corrosione aumentano la resistenza alla trazione e le proprietà di smorzamento dei compositi e non alterano la resistenza agli shock termici. È anche interessante sviluppare un materiale composito con una matrice ceramica - una composizione a matrice che converte ogni molecola di ossigeno (penetrata nel materiale a causa di un danno) in una particella di silicio-ossigeno a bassa viscosità, che può fluire in danni a causa all'effetto capillare e riempirli. La NASA e Boeing stanno sperimentando crepe autorigeneranti nelle strutture aerospaziali utilizzando una matrice di elastomero polidimetilsilossano con microcapsule incorporate.
I materiali autoriparanti sono in grado di riparare i danni chiudendo lo spazio intorno all'oggetto perforato. Ovviamente tali capacità sono allo studio a livello di difesa, sia per i mezzi blindati e carri armati, sia per i sistemi di protezione individuale.
I materiali autoriparanti per applicazioni militari richiedono un'attenta valutazione delle variabili associate a danni ipotetici. In questo caso, il danno da impatto dipende da:
- energia cinetica dovuta al proiettile (massa e velocità), - progetti di sistema (geometria esterna, materiali, armature) e
- analisi della geometria di collisione (angolo di incontro).
Con questo in mente, DARPA e i Laboratori dell'Esercito degli Stati Uniti stanno sperimentando i più avanzati materiali di autoguarigione. In particolare, le funzioni riparatrici possono essere avviate dalla penetrazione del proiettile dove l'impatto balistico provoca un riscaldamento localizzato del materiale, rendendo possibile l'autoguarigione.
Molto interessanti sono gli studi e le prove sul vetro autoriparante, in cui le crepe provocate da alcune azioni meccaniche vengono riempite di liquido. Il vetro autorigenerante può essere utilizzato nella produzione di parabrezza antiproiettile di veicoli militari, che consentirebbero ai soldati di mantenere una buona visibilità. Può anche trovare applicazione in altri campi, aviazione, display di computer, ecc.
Una delle principali sfide future è prolungare la vita dei materiali avanzati utilizzati negli elementi strutturali e nei rivestimenti. Sono oggetto di indagine i seguenti materiali:
- materiali autorigeneranti a base di grafene (nanomateriale semiconduttore bidimensionale costituito da uno strato di atomi di carbonio), - resine epossidiche avanzate, - materiali esposti alla luce solare, - microcapsule anticorrosione per superfici metalliche, - elastomeri in grado di resistere all'impatto dei proiettili, e
nanotubi di carbonio utilizzati come componente aggiuntivo per migliorare le prestazioni del materiale.
Un numero significativo di materiali con queste caratteristiche è attualmente in fase di test e indagine sperimentale.
Produzione
Per molti anni, gli ingegneri hanno spesso proposto progetti concettualmente promettenti, ma non sono stati in grado di realizzarli a causa dell'inaccessibilità di materiali appropriati per la loro attuazione pratica. Oggi, l'obiettivo principale è creare strutture leggere con proprietà meccaniche eccezionali. Il progresso moderno nei materiali moderni (materiali intelligenti e nanocompositi) gioca un ruolo chiave, nonostante tutta la complessità, quando le caratteristiche sono spesso molto ambiziose e talvolta persino contraddittorie. Al momento, tutto sta cambiando con una velocità caleidoscopica, per un nuovo materiale, la cui produzione è appena iniziata, ce n'è un altro, su cui conducono esperimenti e test. L'industria aerospaziale e della difesa può trarre molti vantaggi da questi straordinari materiali.
