المواد الذكية
المواد
الذكية بالانجليزية (Smart
material)، هي نِتاج للتطور الكبير
لعلم المواد، حيث أن لها استخدامات كثيرة في مختلف المجالات، على سبيل المثال في
مجال الفضاء، والطب، والهندسة الانشائية، وقد تزايدت في الفترة الأخيرة الأبحاث في
هذا المجال وخصوصا في مجال الهندسة المدنية. وتوجد المواد الذكية في طورين مختلفين
باختلاف درجات الحرارة لذلك يكون الطور الأول هو الأوستنيت ويكون عند درجات
الحرارة المرتفعة، والثاني هو المارتنسيت والذي يكون عند درجات الحرارة المنخفضة،
وأثناء التحول بين هذين الطورين تكتسب المواد الذكية بعض الخصائص المميزة مثل
ذاكرة التشكل والمرونة الفائقة.
أنواع
المواد الذكية
دراسة المواد
الذكية ونظم المواد الذكية كانت تعتمد على دراسة قواعد السلوك المختلفة "
التخصصات المختلفة " خلال العشر إلى عشرين سنة الماضية، قد تم العثور على عدد
من المواد الذكية إعتمادا على خصائص المواد المثيرة للإهتمام. بعض هذه المواد يحمل
تغيرا في الحجم عندما يتعرض إلى حافز خارجي مثل الجهد الكهربائي، والبعض الاخر
يتقلص، او يتوسع، او يتحرك عند تسخينه او تبريده. وانواع اخرى من المواد الذكية
لاتزال تنتج اشارات كهربائية عندما تنحني او تتمدد. وتوجد أسماء اخرى لهذه الأنواع
من المواد مثل المواد الذكية، والمواد التكيفية.
كل مستطيل في
هذا الرسم يمثل مجالا طبيعيا واحدا، إما ميكانيكي، أو كهربي أو حراري. البيانات
المسجلة في كل مستطيل تمثل حالة المتغيرات المرتبطة بكل نطاق. الخطوط المرسومة
(الجسور) داخل كل مستطيل هي الخاصية الطبيعية التي تربط بين حالة المتغيرات.
الخصائص المرنة للمادة ترتبط بحالة الإجهاد والانفعال في المادة، والخصائص العازلة
ترتبط بحالة المتغيرات الكهربية. الربط بين المجالات الطبيعية يمثل بواسطة الأسهم
التي تربط المستطيلات مع بعضها. على سبيل المثال إنتاج الطاقة الكهربية بواسطة
التحفيز الحراري يطلق عليها ( تأثير كهرو حراري ). وبالمثل فإن الإختلاف في
الإجهاد والانفعال الميكانيكي بسبب وجود تحفيز حراري يطلق عليه التمدد الحراري.
احدث
التطبيقات للمواد الذكية وانظمة المواد الذكية
في اواخر سنة 1970. حدثت التطورات الاساسية في مجال
صنع المواد الكهروضغطية والبوليمرات الكهربية[2] واشكال الذاكرة في اخر 20-25 سنة لوحظ
ان هناك عدد كبير من الانظمة الهندسة تستفيد من تلك الأنواع الثلاثة من المواد الذكية
والمواد الكهروضغطية هي الأكثر انتشارا في التطبيقات العامة في حساسات الحركة والقوة.
بلورات المواد الكهروضغطية هي العنصر المحول لحساسات
الضغط الديناميكي وخلايا التحميل ومزايا هذه التطبيقات ارتفاع الصلابة الميكانيكية
وانخفاض الكتلة الامر الذي يؤدي إلى سرعة رد فعل في عملية الاستشعار عن بعد. المواد
الكهروضغطية أيضا تستخدم في اجهزة الوزن الدقيقة والمعروفة باسم نظم الميكانيكا الكهربية
الدقيقة باعتبارها هي العنصر المحول في عناصر الإستشعار عن بعد وأيضا هي العنصر الفعال
في المضخات الصغيرة. هناك أيضا تطبيق شائع للمواد الكهروضغطية في الكابولي للمجاهر
الذرية القوية والتي احدثت ثورة في المجهر نظرا لقدرتها على الصور. وتعالج ببراعة ملامح
(النانو سيكل). هناك عنصر مبدئي في انظمة المجاهر هو عبارة عن كابولي في المواد الكهروضغطية
التي تهتز عند تردد عال جدا بناء على امر من مئات من الكيلوهرتزات. وهذا لغرض قياس
تضاريس السطح او لدراسة قوة التفاعل بين الناتئ والسطح المراد قياس التضاريس عليه.
والدقة العالية للانظمة المجهرية تعود إلى ارتفاع وتيرة التذبذب في ناتئ والتي أيضا
تؤول إلى خواص المواد الكهروضغطية.
المواد الكهروضغطية تحدد أيضا بدقة المواقع في المراحل
المجهرية لهذه المواد، أيضا لها القدرة لفحص العينات بدقة (النانومتر). هناك خصائص
تشغيل للاجهزة الكهروضغطية وأيضا تذهب تلك الخصائص في المواتير الكهربية وأكثر من تلك
المواتير الكهروضغطية دراسة المعروفة بالمواتير اللولبية. المواتير ترجع الان إلى مبدا
المواتير اللولبية اصبحت متاحة عند سرعات واحمال مختلفة وتستخدم خاصية قدرة المواد
الكهروضغطية في التذبذب عند الترددات العالية. مؤخرا استخدمت المواد الكهروضغطية في
مواتير المضخات الهيدروليكية للتحكم في كمية الضغط وعملية الإهتزاز للمواد الكهروضغطية
عند الترددات العالية هي الامر الاساسي. واسخدمت الاجهزة المعروفة باسم استشعار سطح
الموجة الصوتية (الاستشعار عن بعد) اصبحت طريقة لقياس التغيرات الصغيرة في الكتلة والسطح
المفيدة أيضا في الكشف عن العوامل الكيميائية والبيلوجية.
نظم انتاج المواد الكهروضغطية تم تطويرها في مجالات
عدة للحد من الاهتزازت والضوضاء: تواصلت الأبحاث في مجال المواد الكهروضغطية للسيطرة
على اهتزاز ذيل الطائرات المقاتلة لديها. وكذلك مراقبة الاهتزاز على المنصات الفضائية
عالية الدقة. وكما يتضح من الصورة منصة عزل الاهتزازت هي أحد التطبيقات المقصورة على
فئة معينة في منع الضوضاء والإهتزازية. تم استخدام المواد الكهروضغطية للسيطرة على
انتقال الضوضاء خلال الواح صوتية، التطبيقات في الحد من الإهتزاز والضوضاء جانب من
تطوير شرائح المواد الكهروضغطية.
استخدمت السبائك كمحركات لمنع الاهتزاز وصممت تلك
السبائك لتناسب التطبيقات التي تطلب كميات كبيرة في التشكل مثلا سبائك اشكال الذاكرة
تتيح انفعالات أكبر من الإنفعلات التي تنتجها الاجهزة الكهروضغطية. عيوب سبائك اشكال
الذاكرة ان قدرتها على اخماد الإهتزازات عند التردادت العالية محدودة وأيضا بطيئة الاستجابة
وأيضا مواد اشكال الذاكرة تستخدم بشكل سلبي بالنسبة للاجزاء المشاركة في الاهتزاز.
تستخدم بشكل صغير سبائك اشكال الذاكرة في الاجهزة الالية كصورة لمدى كبير في الحركات
والسكون. ومن أكثر الاستخدامات الشائعة لسبائك اشكال الذاكرة ترجع إلى الإجهاد والانفعال
وفي المستقبل نقدم مفهوم عن (pseudoelasticity)
والذي يوضح علاقة غير خطية بين الإجهاد والانفعال في سبائك اشكال الذاكرة والتي تستخدم
في النظارات. وميزة سبائك اشكال الذاكرة في تلك التطبيقات انها لها قدرة كبيرة على
التشكل دون المعاناة من التشكل اللدن توافق مع الحياة تتيح استخدام سبائك الذاكرة في
التطبيقات الطبية كالدعامات والذي تتكون من سبائك اسطوانية يتناغم ان يوسع عند وضعها
في شريان او وريد فتح الاوعية الدموية واستعادة تدفق الدم.
الاحتياج إلى تشكل كبير في المحركات ادى إلى استخدام
بوليمرات ذات نشاط كهربائي للتطبيقات في التحكم الحركي. المواد السيراميكية ذات النشاط
الكهربائي تكون مواد خفيفة والتي تنتج مدى واسع من التشكلات التي تستخدم في الوضع الكهربائي.
اغلب التطبيقات في البوليمرات الكهربية اصبحت محدودة بسبب قلة الداعمين. ومؤخرا شركة
وحيدة انتجت وباعت تلك البوليمرات الكهربية وهناك شركات اضافية باعت أيضا تلك البوليمرات.
تسمى تلك البوليمرات بالعضلات الصناعية. وتصمم لكى تدخل في التطبيقات التي تطلب مدى
واسع من الحركة ولكن تحتاج إلى قوة اصغر من تلك القوة المستخدمة من السيراميك والمعادن.
التطور في مجال الحساسات والمتحكمين للمواد الذكية
مكن من استخدامها في الانظمة الهندسية الواسعة. بذل مجهودا واسعا سنة 1990 لتطوير انواع
جديدة للتحكم في الاسطح لتثبيت اجنحة الطائرة وتعد من أهم المجهودات الناجحة لاستخدام
خاصية من خواص المواد الذكية الكثيرة للحد من الاهتزازت والتحكم في الحركة. وتستخدم
المواد الكهروضغطية وسبائك الذاكرة كعناصر فاعلة في تشكيل اسطح الطائرات. سباءك الذاكرة
نستطيع ان نستفيد منها في الاجزاء الأكثر انحنائا وتقل تحكم في الترددات. في حين تم
استخدام محركات كهروضغطية بالموجات فوق الصوتية والسيطرة على مرونة الاسطح على الحافة
من الجناح. استخدام المواد الكهروضغطية درست بشكل عميق في استخدامها للتحكم بالاجزاء
الدورانية في الطائرة كما في الشكل. وأيضا المواد الكهروضغطية وسبائك الذاكرة استخدمت
تحريف شفرة الدوار من خلال السيطرة على اللوحات لديها. واحد من اغراض هذا البحث هو
توضيح المفهوم النظري لاستخدامات المواد الذكية في مختلف المجالات الهندسية. بعض المواد
قادرة على انتاج قوة كبيرة ولكن تؤدى إلى حركة بسيطة والبعض الآخر قادر على انتاج تشكل
كبير عند التاثير علية بقوة صغيرة. بعض المواد تستجيب بسرعة عالية والبعض الاخر تتاخر
استجابته.
إرسال تعليق