ОРГАНИЗАЦИИ

и

ИНТЕЛИГЕНТНИ МАТЕРИАЛИ  И СТРУКТУРИ
СЪСТОЯНИЕ  И  ПЕРСПЕКТИВИ

Ячко Иванов
Централна лаборатория по физико - химична механика, БАН

    1. Въведение
    Интелигентните материали и структури през последните години са обект на интензивно развитие. Движеща сила на тези изследвания е стремежът да се създадат възможности за синтезиране, развитие, проектиране и изграждане на инженерни структури, способни да извършват мониторинг на състоянието си, да определят работоспособността си, да приспособяват формата и свойствата си към изменящите се експлоатационни условили да контролират поведението си при външни въздействия. Очертаващите се перспективи за ефективно прило- жение на интелигентните материали и структури в инженерната практика и в такива отрасли като строителството, електрониката, машиностроенето, роботиката, медицината и други са сериозен стимул за финансиране на изследвания в това перспективно направление на материалознанието. Тези многопрофилни изследвания изискват интердисциплинарни услилия и сътрудничество между материаловеди, физици, химици, математици и инженери механици, а така също и на строителни, електро и компютърни специалисти. Развитието на интелигентните материали и структури, както и тяхното приложение се основава и на съвремените достижения на информационните технологии, моделирането и не на последно 'место на комптотърния хардуер 'и софтуер, а така също и на получилите изкючително бързо развитие микросистемни технолгии (1).
 В следващото изложение се анализита съвременото състояние и насоките на развитие на изследванията и приложението на интелигентните материали и структури в строителството.

   2. Ретроспекция на развитието на материалознанието и използване на материалите в строителството
     В продължение на хилядолетия материалите бяха откривани, произвеждани и използвани по различен начин, но подчертано прогресивно (1). Без да се спираме на детайлното разглеждане на материалите и тяхното използване през отделните епохи, но ще отбележим по - важните етапи в тяхното приложение за целите на строителството. В исторически план е имало време, когато камъкът служи на човека кто единствено оръдие на производство и материал за приготвяне на необходими за живота предмети. Постепенно със своето развитие човекът започва да използва естествени материали, в т.ч. и камъка, за изграждане на жилища. Качествено нов етап в развитието на материалознанието и на материалите за строителство представлява раждането на бетона и по специално защитата на дисертацията на А. Л. ле Шателие 1887г. в Париж на тема "Експериментално изследване на строежа на хидравличните цименти". Тласък в прогресивното развитие на конструктивните строителни материали дава Фрейсине (също XIX век) с въвеждането на армирания бетон.
    Оценявайки отишлия си 20 век, от гледна точка на постиженията в материалознанието и в строителството, с задоволство ще отбележим, че той бе твърде плодотворен. Той даде на света предварително напрегнатия бетон, сборното индустриализирано строителство, химическите модификатори за бетонна и т.н. В последните 5-6 години на 20 век се заговори и за използвавето на интелигентните материали и структури в техниката и в частност в строителството. На изследванията на тези материали и структури през последното десетилетие на миналия век бяха посветени много научни конференции и симпозиуми (3, 4, 8).

   3. Същност на интелигентните материали и структури
    В съвременната специализирана литература и в научната общност материалите със специални свойства се разделят на "умни" и интелигентни. Съществуват много определения за 'умни" и интелигентни материали (3-8). В последно време бяха дадени нови дефиниции (9):
 - Умни (Smatr) материали са материалите, способни автономно и по своему да чувстват или да улавят измененията в тяхната околна среда и да отговарят на тези изменения с определено възбуждане или действие.
 - Интелигентни (Intelligent) материали са материалите, спобни автоматично и по определен начин да чустват или да улавят измененията в тяхната околна среда. В допълнение към казаното, те трябва да притежават или да
демонстрират определена стратегия за преживяване (понасяне) на тези изменения, т.е. да реагират със съответни действия или въздействия, инициирани като отговор на измененията, с което да гарантират запазването на устойчивостта си и изпълнението на функциите си.
 - Умни или интелигентни структури (системи) са тези, в които всяка субсистема е организирана за определено предназначение на "ума", присъщо на системата като цяло, но нехарактерно за индивидуалните компоненти на системата. Тук понятието "ум" се дефинира като набор от кодове на инструкцията в системата за чувстване, модел и план за да покрива всички приближаващи се изменения в средата или нейните въздействия. По такъв начин чувстването е първия знак за интелигентността и "ума' на структурата.
    Следваща характерна черта е реагирането по определен начин на въздействието от вън с оглед на динамиката на изменението му. Само когато е налице съответния код за реагирането на структурата или нейната субсистема, може да се реализира съответното нейно противодействие.
    Както е отбелязано в (8) може да се приемете представения на фиг. 1 процес на взаимодействие е реверсивен само ако разглежданата структура динамично вътрешно свързана, организирана и интелигентна. Поради това тази така наречена адаптивна интелигентност обикновенно се представя по тетраедралната схема.
    Тази адаптивна интелигентност на структурата е способна да научава (възприема) динамично изменящата се околна среда, да съхранява получената информация, да "поланира" процеса на действие и съответната реакция на структурата. Взаимодействието в посочената тетраедрална структура на адаптивната интелигентност в променящите се условия се нуждае от енергия, което означава, че тази интелигентност заедно с енергията трябва да се представи с октаедрона на живота и интелигентността (8).
    Приведената по - горе схема на процеса н реагиране на интелигентните материали и структури всъщност е
четири стадиина (8) (фиг.2).Илюстрацията на фиг.2 показва, че притежаваната от и1телигентния материал или структура способност за преобразуване на механичната работа означава способност за превръщане, на входната енергия в механичен отговор. Като пример бихме могли да посочим мост,, който натрупва потенциална енергия, въведена чрез натиска, упражнен от минаващ тежък камион и който изразходва тази енергия за въстановяване на неговата ненатоварена форма след преминаването на тежкия камион.
 Характерна черта на интелигентната структура (фиг.З) е, че тя "наблюдава" себе си или изменящата се околна среда и управлява отговора си на променящите се условия. От (фиг. З) става ясно, че за да бъде една инженерна структура интелигентна е необходимо да са налице следните условия:
- наличност на многоканални сензорни системи за различни предназначения;
- възможност за интерпретация на данните от сензорите (почти винаги тази способност трябва да е адаптивна);
- натрупване на енергията, превръщането й в механична работа и наличие на контрол в течение на цикъла на натоварването, който твърде често може да бъде прекъснат;
- наличие на прецизна актюаторна техника, наблюдавана чрез сензорните данни, която да подържа структурата в изпълнение на предназначението си.
    Фиг.З представя схема на интелигентна структура, която отговаря на горните изисквания. В същото време отделно взет самият материал илюстрира функции на проводящите материали и показва как входящата/изходящата информация (характеристика) може да бъде сумирана в симплицитна форма. В самия материал няма проява на интелигентност, защото изходния параметър е същия като входния или не съдържа определена по-голяма информация от входящата. За да имаме интелигентност е необходимо той дадава отговор за втората променлива - както това е показано на фиг. 4. Следователно, само ако материалът е способен да даде специфичен отговор на комбинация от входни сигнали, то той ще отговаря на посоченото по-горе определение за интелигентен материал.
    На основата на казаното до тук можем да заключим, че интелигентни структури са тези, в които са включени сензори и актюатори, чиито действия са координирани чрез контролна система, която придава на структурата способност да отговаря спонтанно на външни стимули в такава пропорция към тяхния магнитуд, че да компенсира нежеланите ефекти или да увеличава желаните такива.

    4. Някои примери за интелигентни и "умни" материали
    В литературата, освен основните природни интелигентни материали (RNA, DNA), като такива, представляващи интерес за инженерните отрасли, медицината, отбраната и индустриално приложение са (2, 8, 10, 11):
    а/ Йонните полимерни гелове;
    б/ Сплавите и полимерите с памет за форма;
    в/ Пиезоелектриците и Електростриктивните материали;
    г/ Електрореологичните и Магнитореологичните течности.
     Оценката на "умните" материали се извършва с т.н. отношение на материалната умност (material smartness quotient - MSQ), а на структурите - с отношението на структурната умност (system smartness quotient - SSQ). На тази основа се предлага класация на отношенията "умност" на различните органични и неорганични материали (фиг. 5). Сравнението в случая е направено с RNA и DNА, чиeто отношение MSQ е определено като 1000. Ще отбележим, че това е условна класификация и не е разработен научно обоснован метод за определяне на посочените отношения.
    За сега в областта на строителството критерия за отнасянето на даден съществуващ материал към умните материали се базира на установените способности на отделните материали да демонстрират сравнително  по-голяма жизненост, т.е. по-продължително запазване на характеристиките си. Примери в това отношение са алуминия, пропитите с минерални масла дървени греди, бетона, керамиката, някои полимерни материали и др. Алуминият в окислителна среда формира на повърхността си AL2 O3, което по собността му да изработи своя защита го прави еквивалентен на колагена. Формирайки твърд повърхностен слой той се самозащитава от корозия и други химически инициирани напрежения и разрушения. Подобни данни могат да се приведат и за силикона и силиция.
     Развитието на дисперсно армирания бетон откри възможности за още по-рационално използване на традиционния конструкционен материал - бетонът. Армираният с въглеродни влакна (carbon - fiber reinforced concrete - CFRC) демонстрира и итересни свойсва: високо съпротивление на сгъване и якост, висока устоийчивост при земетръси, ниско съсъхване, способност на защита от електромагнитна интерференция, а така също и да понася по-големи натоварвавия дори и след появата на пукнатини в бетона. CFRC e обещаващ материал и за използване в интелигентни структури - той се характеризира със способността си да провежда електрически ток и което е по - ажно да изменя проводимостта си при механично напрежение. Тази способност създава условия за лесно самонаблюдение на напрегнатото състояние на интелигентните структури от бетон. Интересни в това отношение са опитите на D. Chang H Hull Fu (11) които показват резултати за използването на електропроводими микрофибри (предимно от въглеродни влакна) в количество от 0,2 обемни % за получаване на самонаблюдаващ се бетон (self-monitoring concrete).
    Публикуваните предварителни резултати (12-14) показват, че включването на сензори в композитите на основа на термореактивни моли ще бъде един перспективен път за получаването на "умни"/интелигентни композити. Тук заслужава внимание очертаващата се възможност чрез създаване на структури от епоксидна смола, армирана с въглеродни влакна и потопени сензори от оптични влакна (14) да се произвеждат строителни елементи, чуствителни към различни изменения на околната среда.
 Определен интерес за специални цели и за детайли за отговорни съоражения представляват сплавите с памет за форма (shape memory alloys) (4).
    Широко известни са сплави от този вид на основата на никел - титан (15) които получиха своето развитие преди около 30 години. През последните години гамата на сплавите с памет на формата се разшири и днес са известни опити за получаване и използване на InTI, CuZn, CuAl, NiAl, AgZn, AgCh сплави. Спобността на тези сплави да възстановяват формата си след изменение на тяхната геометрия при резко повишаване на температурата се дължи на фазовата трансформация от мартенситно състояние в аустенитно. Забелижителна тяхна характеристика е ефекта върху еластичния им модул. Така например някои от тях увеличават модула си от четири до двадесет и пет пъти по сравнение с този преди нагряването им. Трябва да се има предвид че отбелязаното повишение зависи от градиента на нагряването и охлаждането на материала.
    Специален интерес за строителната практика представляват интелигентните материали от типа на електрореологичните флуиди (ERF)(16, 17).
    Както е известноелектрореологичните флуиди са суспензии от финни диелектрични частици (d= 1-100 микрона) и непроводяща среда (течност), които изменят реологичшпе си свойства при въздействие с електрично поле. Това изменение се дължи на формирането на кластери с ламеларна форма, която оказва съпротивление при срязване на суспензията между електродите. Електрореологичните течности под действие на електрическото поле се изменят от вискознопластични до почти твърди гелове (17). Тази промяна на структурата и свойствата протича твърде бързо - в рамките на неколко мили секунди. ERF намират приложение като абсорбери на вибрационни и други динамични въздействия (16,17). Примери за тяхните приложения могат да се намерят в (16,21).

    5. Примери за интелигентни инженерни структури
     В последните години изследователски екипи от различни специалисти са съсредоточили усилията си в синтезирането, изследването и развитието на интелигентни структури (системи), които да могат да наблюдават собстената си кондиция, да определяти контролират очертаващите се повреди и да се адаптират към промените на околната среда. Направените до сега тяхни приложения показват големите им потенциални възможности - започвайки от "умните" самолетни конструкции с включени в тях оптични влакна като сензори за определяне на появата на пукнатини, мостове и други инфраструктурни съоражения със сензорни и актюаторни елемента за следене и отчитане на опасни вибрации и др. (18). Днешните изследвания са насочени към изучаване, синтезиране и производство на материални системи (структури), чиито поведение да може да наподобява това на биологичните. Интелигентните (умните) структури и материали се характеризират с това, че притежават собствени сензори (играят ролята на нервна система), процесори (изпълняват ролята на мозъка) и актюатови (с роля подобна на тази на мускулите). По такъв начин те наподобяват биологичните системи. Сензюрите, използвани в интелигентните структури и материалите от оптични влакна, специални за корозия или такива за улавяне измененията в околната среда, както и от чувствителни частици (къси въглеродни и други влакна). В много случаи една от глав- ните цели при създаването и използването на тези структури и системи трябва да бъде те да могат да предсказват кога е необходим ремонт на същите и дали той е изпълнен качествено.
    Контролът върху поведението на интелигентните структури и системи може да бъде активен, полуактивен и пасивен (19, 20). Чрез обратна връзка и използване на получения от структурата отговор се осъществява активния контрол на същата когато тя е подложена на действието на земетръс или друг вид натоварвания. Примери за такъв контрол главно на инфраструктурни обекти (мостове и др.) са описани подробно в (19). Определени теоретични проблеми на активното и полуактивно управление на интелигентни структури са анализирани подробно в (20).
    За получаване на интелигентни структури се използва и повърхностна обработка, която е хибрид между активен и пасивен дъмпинг на външните влияния. Между известните хибридни решения заслужава да бъдат споменати: пасивно напрегнат слой за дъмпинг с паралелно съединена мрежа (PCLD/SN) (22), активен напрегнат слой за дъмпинг (ACLD) (23) и активен напрегнат дъмпинг композит (APDC) (24). В първото решение е използван пиезоелектричен филм за пасивно регулиране на деформациите на вискозо еластичен слой,който с разположен върху вибриращата структура. Пример за пасивен дъмпинг композит е даден на фиг.6. (25). На фиг. 6.а слоевете (1-2) са намагнитизирани перпендикулярно на дебелината, поради което генерираните магнитни сили също са перпендикулярни на надлъжната ос на гредата. Това решение позволява да се реализира динамичен дъмпинг чрез активизиране на вискозно - еластичния слой. На фиг.6.б слоевете (З-4) са намагнитизирани паралелно на надлъжната ос на гредата, с което се създават условия за регулиране на срязващите напрежения в вискозно - еластичния слой. По същество в реализираната схема се използва магнитореологичния ефект във вискозно - еластичния слой. Опитът показва, че моделирането на PDMC може да се извърши с използване на метода на граничните елементи.
    Пример за ефективно решение на проблемите, създсшани в структурите на инфраструктурните обекти (мостови и други) от външни сили като трафик, силни ветрове и землетресения е даден в (25). Решението е получено чрез моделна реализация по метода на децентрализирания пълзящ контрол на двукабелно опрян мост (фиг .7). Както се вижда от фиг.7 и фиг. 9 приложението на схемата на децентрализиран контрол и превръщането на структурата в интелигентна е с подчертан положителен ефект.
    Ако приложим методите за оценка на интелигентността, описани в т.4 и сравним интелигентността на инженерните структури с други известни такива ще получим картината на фиг.9. (Тук SIQ означава структурно интелигентно отношение, а SSQ - структурно "умно" отношение).
    Изграждането на различни обекти се реализира с различни по скала подходи (25) (табл.1).
    Приведените нива и скалата на подходите показва, че пред материаловедите се поставят задачи на микро - и мезониво, докато пред проектантите - конструктори и строителите те са на ниво структури и инфраструктури.Успешното решаване на тези задачи е възможно само при добро сътрудничество между специалистите. Новият век поставя задачата да се генерира нова и достатъчна информация за интелигентните материали и структури, която да се трансформира в знания за да обогати нашето познание за интелигентността в естествените и изкуствените (инженерните) системи. Всичко това ще позволи рационално да се използват предимствата на интелигентните материали и структури.

    6. Заключение
     Миналото столетие следвайки традициите на XIX век, отбеляза значителен прогрес в развитието на материалознанието и по специално на конструктивните материали на силикатна и полимерна основа.
    Края на последното десетилетие на миналия век открехна пред инженерната мисъл вратите към нови области в материалознанието - към нанотехнологиите и към интелигентните материали, които се очертава да доминират в повия XXI век.
 Първите опити от приложението на интелигентните материали и структури показват тяхната перспективност. В същото време те очертават и насоките и тенденциите за бъдещите изследвания:
 - Понататъшно развитие и усъвършенстване на активните, полуактивните и пасивните абсорбери на вибрациите;
 - Развитие на системите за мониторинг на инженерните структури, в т.ч. и с използване на достиженията на съвременните информационни технологии;
 - Разширение на изследванията за разкриване възможностите за използване на влакна от сплави с памет за формата и армирането на композитите с тях, както и за превръщането на традиционните конструкционни материали, в т.ч. и бетона, в интелигентни такива. Специално внилание ще се отделя на изучаването на възможностите за използване на оптичните и въглеродните влакна като сензори в традиционните конструкционни материали;
 - Синтезиране на интелигентни материали и актюаторни системи за движения с ниски и високи честоти;
 - Като се има предвид, че като допълнение към нелинейността в някои от структурите се прибавя и комплексната нелинейност на актюаторите и сензорите, то ще се наложи да се преоценят и евентуално ревизират редица от приеманията и апроксимационните методи;
 - Бъдещото развитие на интелигентните стриктури и системи ще наложи създаването на нови материали за актюатори . Тук се очаква определена роля да играят нанотехнологиите и наноструктурите;
 - Развитието на модерните композити с включени или закачени сензори, актюатори и компютерните възможности още от сега поставят въпроса за разработване на методи за тяхното математическо моделиране;
 Решението на посочените проблеми ще има за резултат повишаване на дълготрайността и надежността на инженерните съоражения и превръщане на голяма част от строителното производство във високотехнологично. В същото време развитието на интелигентните материали и структури/системи ще допринесе за понататъшно усъвършенстване на строителните технологии, а така също и на редица области на науката, включително и на материалознанието, химията, нанотехнологиите, невронните мрежи и т.н.