ساختار چند منظوره

رویکرد سنتی برای توسعه سازه ها پرداختن به عملکرد باربری و سایر الزامات عملکردی به طور جداگانه است. با این حال، اخیراً علاقه‌مندی به توسعه مواد و سازه‌های باربر که دارای عملکردهای غیرباربر هستند، افزایش یافته است.

معرفی

با مصالح ساختاری معمولی، دستیابی به بهبود همزمان در چندین عملکرد ساختاری دشوار بوده است، اما افزایش استفاده از مواد کامپوزیتی تا حدی ناشی از پتانسیل چنین پیشرفت‌هایی بوده است. عملکردهای چند منظوره می توانند از عملکردهای مکانیکی تا الکتریکی و حرارتی متفاوت باشند. پرکاربردترین کامپوزیت ها دارای مواد ماتریس پلیمری هستند که معمولاً رسانای ضعیفی هستند. رسانایی افزایش یافته را به عنوان مثال می توان با تقویت کامپوزیت با نانولوله های کربنی به دست آورد.

کارکردها

در میان عملکردهای بسیاری که می توان به آنها دست یافت از جمله اینها هستند: رسانایی الکتریکی/حرارتی، سنجش و تحریک، برداشت/ذخیره انرژی، قابلیت خود ترمیم، محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی (Electromagnetic interference (EMI)) و قابلیت بازیافت و زیست تخریب پذیری. همچنین به مواد درجه بندی شده عملکردی که موادی کامپوزیتی هستند، اشاره می شود که در آنها ترکیب یا ریزساختار به طور محلی متفاوت است به طوری که تنوع خاصی از خواص ماده محلی به دست می آید. با این حال، مواد درجه بندی شده عملکردی را می توان برای عملکرد و کاربردهای خاص طراحی کرد.
مواد چند منظوره و پتانسیل آنها برای پیشبرد نوآوری های تکنولوژیکی، آینده شگفت انگیزی را برای جامعه علم مواد نشان می دهد. پیشرفت‌های علمی کلیدی نه تنها از مواد جدید توسعه‌یافته، بلکه از تکنیک‌های شبیه‌سازی محاسباتی پیشرفته‌تر با هدف فناوری‌های ساخت نوآورانه به دست خواهد آمد. کاربردهای بسیار از آنها وجود دارد مانند بال های هواپیما با قابلیت تنظیم مجدد، پانل های آیرودینامیکی تغییر شکل برای کنترل جریان، اگزوزهای موتور با هندسه متغیر، تیغه توربین، پیکربندی توربین بادی در سرعت های مختلف باد، سیستم های میکروالکترومکانیکی (میکرو سوئیچ ها)، سلول های حافظه مکانیکی، سوپاپ ها، میکروپ موقعیت پانل جهت انعطاف پذیر در سلول های خورشیدی، معماری نوآورانه (پانل های شکل تطبیقی برای سقف ها و پنجره ها)، دستگاه های الکترونیکی انعطاف پذیر و تاشو و اپتیک (آینه های تغییر شکل برای فوکوس فعال در سیستم های نوری تطبیقی).

سازه‌های چند منظوره چیستند؟

چند منظوره و سبک وزن ویژگی‌های حیاتی و مضامین فناوری مورد نیاز معماری مأموریت های فضای عمیق هستند. گفتیم ماده چند منظوره یک ماده کامپوزیت است و این می تواند از عملکردهای مکانیکی تا الکتریکی و حرارتی متفاوت باشد. بیشتر کامپوزیت های پرکاربرد دارای مواد ماتریس پلیمری هستند که معمولا رسانای ضعیفی هستند. و همان طور که تأکید شد رسانایی افزایش یافته را می توان با تقویت کامپوزیت با نانولوله های کربنی به دست آورد.

مواد چند منظوره و سیستم‌های ساختاری به کاهش جرم و حجم خودروهای نسل بعدی کمک می‌کنند. نقشه راه فناوری ناسا TA12، «مواد، سازه‌ها، سیستم‌های مکانیکی، و ساخت» سازه‌های چند منظوره را به عنوان یکی از 5 چالش فنی اصلی خود پیشنهاد کرده است. این نقشه راه به ترسیم فناوری‌های جدیدی کمک می‌کند که به ناسا در رسیدن به مأموریت هوانوردی، علمی و اکتشاف انسانی در 20 سال آینده کمک می‌کند.

یکی از جالب ترین ساختارهای چند منظوره ای که مورد استفاده قرار می گیرد، برای باتری ها است. باتری های ساختاری با ادغام ذخیره انرژی به طور مستقیم در ساختار باربر، وزن و پیچیدگی را کاهش می دهند. این توسط چندین تیم با استفاده از الیاف، ورقه ورقه ها و ساخت نانولوله توسعه داده شده است.

ساختار کامپوزیت چند منظوره در فضاپیمای فضای عمیق 1، برنامه هزاره جدید ناسا که توسط فضانوردی لاکهید مارتین (Lockheed Martin Astronautics) ساخته شده بود، نشان داده شد. تحت این برنامه، ساختار الکترونیکی چند منظوره، که شامل مدارهای انعطاف پذیر معمولی بود، 50 تا 80 درصد صرفه جویی در جرم و حجم را نشان داد و تخمین زد.

باتری های ساختاری

در جولای 2015، ناسا به شش تیم از متخصصان هوانوردی چراغ سبز برای تحقیق و طراحی آینده هوانوردی نشان داد. یکی از شش پیشنهاد برای هواپیمای پیشران الکتریکی بود. این تحقیق و طراحی توسط پروژه راه حل های هوانوردی همگرا ناسا (Convergent Aeronautics Solutions (CAS)) تأمین مالی شده است. هدف این بود که از پیشرفت‌های شیمی و نانوتکنولوژی استفاده کنیم تا خودِ ساختار به باتری تبدیل شود.

پروژه دیگری که در دست اقدام است، همکاری بین ITN Energy Systems, Inc. و مرکز مواد کامپوزیت (Center for Composite Materials (CCM)) در دانشگاه دلاور است. این کار در حال طراحی و توسعه پانل‌های ساختار باتری چند منظوره برای سازه‌های فضایی نسل بعدی است که می‌توانند در وسایل نقلیه اکتشافی یا زیستگاه‌های فضایی ادغام شوند. ساختار و باتری ها موضوع تلاش های تحقیق و توسعه شدید برای کاهش جرم و بهبود عملکرد بوده است.

باتری های ساختاری همچنین مورد توجه تحقیقات خودروها بوده است. ولوو در حال کار بر روی فناوری ساختاری ابرخازن فیبر کربنی برای جایگزینی باتری‌ها است. در سال 2010، ولوو با امپریال کالج لندن (ICL) همکاری کرد تا کار بر روی کاهش وزن خودروها با جایگزینی باتری‌ها با خازن‌های فوق‌العاده را آغاز کند. این وسایل ذخیره سازی الکتریکی در بدنه خودرو یکپارچه شده اند. ولوو ادعا می کند که این فناوری می تواند منجر به کاهش 15 درصدی وزن خودروهای هیبریدی و الکتریکی شود.

در نهایت، از باتری‌های ساختاری همچنین برای کاربردهای دریایی استفاده می‌شود. فضای داخلی را می توان با جایگزینی منبع تغذیه اولیه باتری در اجزای ساختاری آزاد کرد تا امکان افزایش بار محموله فراهم شود. از ادغام سلول های باتری لیتیوم یون (پلیمر) پرانرژی در مواد کامپوزیت پلیمری تقویت شده با فیبر استفاده می شود. این منجر به ظرفیت ذخیره انرژی 50 وات ساعت در لیتر می شود.

مدتی قبل با طراحی دیوار چند منظوره برای پروژه ای که روی آن کار می شد و سعی می شد ایستگاه فضایی قابل سکونت طراحی شود، بازی کردیم. پس از چند تحقیق تصمیم گرفتیم که از هیدروژن به عنوان سپر در برابر پرتوهای کیهانی کهکشانی (Galactic Cosmic Ray’s (GCR’s)) استفاده کنیم. ایده اصلیِ آرایش ساختار، شامل داشتن چندین لایه است. طرح شامل سه لایه بود. لایه بیرونی شامل کامپوزیت پلیمری تقویت‌شده با الیاف، لایه میانی متشکل از آلیاژ آلومینیوم-لیتیوم و لایه داخلی باتری‌های ساختاری لیتیوم-یون پلیمری چند منظوره است. این طرح را می توان در شکل زیر مشاهده کرد. ما به این نتیجه رسیدیم که این لایه ها برای محافظت در برابر تشعشع کافی هستند.

تصویر: طراحی پوسته ماژول چند لایه

هدف اصلی لایه بیرونی محافظت در برابر تشعشعات خواهد بود. قرار گرفتن باتری ها در موقعیت داخلی سازه امکان دسترسی آسان را در صورت نیاز به تعمیر و یا تعویض هر یک از باتری ها فراهم می کند. کامپوزیت مبتنی بر پلیمر تقویت شده با الیاف غنی از هیدروژن است. الیاف پلی اتیلن از هیدروژن و کربن تشکیل شده است. همانطور که قبلاً ذکر شد، هیدروژن توانایی محافظت در برابر GCR را دارد. افزودن بور به رزین ماتریکس کامپوزیت این توانایی محافظ را بیشتر می‌کند.
یکی از جالب ترین ساختارهای چند منظوره ای که مورد استفاده قرار می گیرد، برای باتری ها است. باتری های ساختاری با ادغام ذخیره انرژی به طور مستقیم در ساختار باربر، وزن و پیچیدگی را کاهش می دهند. باتری های ساختاری در این طرح می توانند صاف یا منحنی باشند. پیکربندی ساختار باتری چند منظوره در شکل زیر نشان داده شده است. باتری لیتیوم یونی در یک ساختار ساندویچی تعبیه شده و به عنوان بخشی از هسته ساندویچ استفاده می شود. قسمت اصلی هسته می تواند لانه زنبوری باشد. در مورد سلول‌های لیتیوم یون تعبیه‌شده، می‌توان آن‌ها را به‌عنوان سبک صفحه تخت یا نوع هترو مطابق با شکل ساختار پیکربندی کرد. هسته اصلی با پانل های کامپوزیت ساندویچ می شود.

تصویر: باتری لیتیوم یون ساختاری چند منظوره مدل Solidworks

در رابطه با خود باتری، یک ساختار پلیمری متخلخلِ پیوسته در سراسر باتری فراگیر است. در ناحیه آند، ذرات کربن توسط پلیمر در کنار هم نگه داشته شده و به کلکتور (یا جمع کننده) جریان مس متصل می شوند. به طور مشابه، ذرات کاتدی اکسید لیتیوم کبالت و افزودنی‌های کربن به یک کلکتور جریان آلومینیومی متصل می‌شوند. این طرح شبیه یک کامپوزیت پلیمری است. یک محلول الکترولیت آلی در کل باتری نفوذ می کند تا هدایت یونی را فراهم کند.

لایه میانی عمدتاً به دلیل چگالی کم (2.54 گرم در سی سی)، مدول ویژه بالا (77 گیگا پاسکال)، و خستگی عالی و چقرمگی برودتی، آلیاژ آلومینیوم-لیتیوم است. آلیاژ آلومینیوم-لیتیوم 8090-T3 تقریباً 1500 تا 2500 دلار در هر تُن هزینه دارد. جهت گیری این بخش در شکل زیر قابل مشاهده است.

تصویر: بخش مرکزی آلیاژ آلومینیوم-لیتیوم طراحی دیوار چند لایه

آلیاژ آلومینیوم-لیتیوم را می توان با جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی به هم وصل کرد. سایر روش های جوشکاری حتی اجازه نمی دهند که این نوع آلیاژ به هم جوش داده شود. مفهوم اصلی جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی یک سنبه بزرگ است که یک مداد کوچک از پایین آن بیرون می آید.

پنتیل معمولاً بزرگتر از هر دو لایه مواد است. با فرو رفتن در مواد و گرم شدن و در واقع هم زدن هر دو قطعه فلزی در تماس با یکدیگر، با سرعت بالایی در حدود 10 تا 15000 دور در دقیقه می چرخد. از مزایای آن می توان به عدم نیاز به اکسید کننده و داشتن سه بخش برای پوست زیستگاه اشاره کرد به این معنی که اتوماسیون آن فقط یک سنبه با سرعت بالا و حرکت یک بعدی در طول ماژول برای هر درز است. این باعث کاهش پیچیدگی با قطعات متحرک کمتر می شود.

مواد چند کاره

ادغام توابع مختلف در یک سیستم مادی یک چالش اساسی است، به خصوص اگر به نظر برسد که این توابع یکدیگر را حذف می کنند. درک روابط عملکرد-ساختار و توسعه شایستگی در رویکرد سیستمی برای چند کارکردی، بسیاری از کاربردهای مدرن را امکانپذیر می‌سازد که می‌توانند کیفیت زندگی را بهبود بخشند و چالش‌های مهم جهانی را برطرف کنند.

زمینه‌ای بین رشته ای اخیراً به رویکردهای مهندسی محاسباتی برای طراحی مواد مجازی و طرح های ساخت پیشرفته با استفاده از دیجیتالی شدن گسترش یافته است. به این ترتیب چرخه های توسعه می توانند کوتاه شوند و محصولات مبتنی بر مواد چند منظوره می توانند هر چه بیشتر سازگار و فردی شوند.
مواد چند منظوره و سیستم‌های ساختاری به کاهش جرم و حجم خودروهای نسل بعدی کمک می‌کنند. این عصر، عصر طلایی مواد است. راه حل های مواد جدید در حال حاضر به طور فعال در حال توسعه برای مقابله با افزایش تقاضای انسان برای تحرک کارآمدتر است تا به عنوان سیستم های ذخیره سازی انرژی ساختاری؛ برای ترویج سبک زندگی بهتر و بهبود مراقبت های بهداشتی با نظارت و بازسازی مطابق با رفاه شخصی ما؛ و به عنوان یک سیستم هوشمند برای سنجش فعال و خود تشخیصی؛ شکل دهی و سازگاری در پاسخ به محیط محلی؛ و برای بهبود پایداری محصول از گهواره تا گور از طریق فرآیندهای جدید مونتاژ و جداسازی قطعات عمل کند.

این مواد به عنوان چند منظوره تعیین می شوند. آنها اغلب از یک آنالوگ بیولوژیکی الهام گرفته می شوند، اما برای انجام مسئولیت های متعدد از طریق ترکیب محتاطانه از قابلیت های عملکردی مختلف طراحی شده اند. به طور معمول، هر عملکرد یک فرآیند فیزیکی یا شیمیایی متمایز را انجام می دهد که می تواند پیشرفت های سطح سیستم را فراتر از وضعیت موجود ارائه دهد.

مواد چند منظوره تغییردهنده بازی هستند و انگیزه طراحی این سیستم‌ها می‌تواند از کانون‌های بسیاری ناشی شود. این می تواند به دلیل نیاز به برنامه های کاربردی مدرن که در آن محیط سیستم عملکرد مواد را تعریف می کند هدایت شود. برعکس، این می تواند تحقیقات کنجکاوانه‌ای باشد که فرهنگ کارآفرینی پر جنب و جوش را برای نوآوری ها و برنامه های کاربردی جدید در دانشگاه ها و مؤسسات تحقیقاتی ترویج می کند.

دانش توابع مواد فردی به خودی خود برای پیش بینی مناسب بودن مواد چند منظوره در یک محیط کاربردی کافی نیست. برای به دست آوردن صلاحیت سیستم، یک رویکرد کل نگر مورد نیاز است که در آن طراحی مواد مجازی و مهندسی مواد با پشتیبانی کامپیوتر، نظریه و تکنیک‌های تجربی سنتی را تکمیل کنند. به عنوان مثال، ابزارهای شبیه‌سازی برای انتقال خواص اتمی مواد به ساختارهای عملکردی پیچیده در مقیاس‌های طول، اکنون در حال توسعه و به‌عنوان روش‌شناسی/نقشه راه برای کاربردهای آینده هستند.

این فلسفه و نقش فزاینده انفورماتیک و تجزیه و تحلیل داده ها است که در توسعه و ارتقاء سیستم های مواد چند منظوره به برنامه های مدرن بسیار مهم خواهد بود. در نهایت، برای رشد مواد چند منظوره فراتر از تصور طراحان و اثبات مفاهیم آزمایشگاهی، طرح‌های ساخت مناسب برای کاربردهای واقعی نیز مورد نیاز است. چند عملکردی که به صورت سلسله مراتبی از هم جدا شده اند، یا با توابع متعامد در سطوح مختلف یا تابعی از سطح مولکولی/نانو که از طریق جفت شدن متوالی به سطح ماکروسکوپی اعمال می شود، به توانایی افزودن، تفریق، ذوب و رشد مواد در صورت تقاضا نیاز دارند. در حالی که گام‌های اولیه در این راستا برداشته می‌شود، ایجاد امکان ادغام فرآیند تولید در کشف، طراحی و توسعه محصولات چند منظوره جدید، با نمونه‌سازی سریع و با قابلیت افزایش مقیاس، نه تنها چالش‌برانگیز است، بلکه برای آن، تحقق بخشیدن به محصولات آینده ضروری است.

زمینه های موضوعی تحقیق مواد چند منظوره

مواد چند منظوره و پتانسیل آنها برای پیشبرد نوآوری های تکنولوژیکی، آینده شگفت انگیزی را برای جامعه علم مواد نشان می دهد. پیشرفت‌های علمی کلیدی نه تنها از مواد جدید توسعه‌یافته، بلکه از تکنیک‌های شبیه‌سازی محاسباتی پیشرفته‌تر با هدف فناوری‌های ساخت نوآورانه به دست خواهد آمد.

اگرچه این چالش‌ها جامع نیستند، اما می‌توان این چالش‌ها را حول تعدادی موتیف موضوعی دسته‌بندی کرد که در زیر مورد اشاره قرار گرفته و به صورت شماتیک در شکل نشان داده شده‌اند.
* طراحی مواد چند منظوره
* مواد در علوم زیستی و بیومواد
* مواد خود ترمیمی و بازسازی کننده
* مواد برای پایداری و انرژی
* محرک ها، حسگرها، لوازم الکترونیکی انعطاف پذیر و پوشیدنی ها
* مواد برای روباتیک
* ساخت پیشرفته مواد چند منظوره
* فرامواد، سیستم های چند ماده ای

تصویر:. شکل شماتیک از حوزه های موضوعی MFM.

در دنیای مواد چند منظوره، یک رویکرد میان رشته ای اما سیستماتیک به سیستم کامل مواد مورد نیاز است: ادغام روش های نظری، محاسباتی و تجربی در یک روش شناسی متحد. تکامل روش‌های تولید جدید نیز یک پیش‌نیاز است، با دور شدن از فرآیندهای سنتی، که عملکردها را در مقیاس کلان «ادغام» می‌کنند، و انتقال به سمت پلت‌فرم‌های پردازشی، که چندین ویژگی بلوک ساختمانی محلی را در معماری جهانی بنا به تقاضا ادغام می‌کنند.

طرح‌های ساخت بسیار فراتر از شکل‌دهی مواد خواهند بود، زیرا مهندسی فرآیندها برای کاربردی‌سازی مواد بسیار مهم است، و ویژگی‌های برنامه‌نویسی بیشتری نسبت به ایجاد یک تنظیمات نهایی دارد. هنگامی که بدن های شکل دار بتوانند خود را به طور مستقل برنامه ریزی کنند، سازگاری واقعی به دست خواهد آمد.

این اکتشافات اساسی، در سطح مفهومی با سرمایه فکری بالا برای جامعه تحقیقاتی مواد، که می توانند توسط طراحان و مبتکران محصول آینده معرفی و اعمال شوند، هستند که مورد توجه قرار می گیرند. از آنجایی که حوزه تحقیق گسترده است، نیاز به تمایز بر اساس دسته بندی عملکرد دارد که در بخش های موضوعی مختلف منعکس می شود.

MFM با تقویت تبادلات علمی در این جامعه بسیار بین رشته ای به این زمینه تحقیقاتی کمک خواهد کرد، با آموزش نسل بعدی دانشمندان و مهندسان مواد؛ در حالی که به عنوان یک مدافع برای افزایش آگاهی عمومی در مورد امکانات ارائه شده توسط این نسل جدید از مواد و فرآیندهای پیشرفته عمل می کند.

منبع: آندریاس لندلین، ریچارد اس تراسک، claudiucaldarescu