اهمیت نوآوری های مواد در اجزای الکترومکانیکی

اجزای الکترومکانیکی ستون فقرات تکنولوژی مدرن را تشکیل می دهند، حرکت، سنجش و عمل در برنامه های کاربردی از رباتیک صنعتی و سیستم های خودرو به دستگاه های پزشکی و مواد سنتی مصرف کننده مانند مس، فولاد، آلومینیوم و استاندارد مهندسی پلاستیک می تواند این توابع را به طور قابل اعتماد برای دهه ها، به عنوان نیاز عملکرد - بالا بردن قدرت، چرخه های عملیاتی سریع تر، دما، گرمای شدید، تجهیزات حرارتی، و مواد شیمیایی ثابت شده - با استفاده از این قطعات کاهش می کند.

مواد نوظهور و مزایای آنها

گرافن و نانولوله های کربنی

گرافن (یک لایه اتمی واحد کربن که در یک شبکه هیکساگونی تنظیم شده است) علاقه شدیدی به خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی فوق العاده خود را جذب کرده است، با یک گرافت کششی بیش از 100 بار که فولاد هنوز تنها یک اتم ضخامت دارد، گرافن می تواند پلیمر، فلزات و سرامیک را تقویت کند، هنگامی که یک نانوکومهای حرارتی را تنظیم می کند، مقاومت الکتریکی را به طور مستقیم افزایش دهد.

۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳- ۳-

آلیاژهای حافظه شکل، به ویژه نیکل-تیتانیوم (NiTi یا Nitinol)، می توانند سویه های بزرگ (~8%) را بر روی حرارت بالاتر از یک دمای تحول، بهبود بخشند، این رفتار منحصر به فرد آنها را برای محرک هایی که باید میلیون ها چرخه بدون خستگی را تحمل کنند، ایجاد کند، SMAs در حال حاضر در میکروکارکتورها برای کاتتر های پزشکی، سطوح بال سازگار، و لرزشی که باعث کاهش شدید تر از طریق کاهش ضخامت مایع میکروپلاستیک شده اند، بدون اندازه 10، کاهش می شود.

پیشرفته سرامیک و کامپوزیت های ماتریسی سرامیک

سرامیک مانند alumina (Al2O3)، zirconia (ZrO2) و کانکتورهای محرک سیلیکون (Si3N4) سختی استثنایی، مقاومت و بی سوادی شیمیایی را ارائه می دهند، اما ضخامت آنها به طور تاریخی در اجزای داییک (CMCs) محدود است که این را با جاسازی فیبرهای سرامیکی (به عنوان مثال، ضخامت) می کند، در حالی که باعث کاهش ولتاژ بالا در سیستم های الکترولیتی می شود.

خود-هشگری های و پوشش ها

اتصالات خود شفابخش از سیستم های بیولوژیکی با تعمیر خودکار قطعات آرومات ایلینوی استفاده می شود، در نتیجه گسترش طول عمر جزء دو روش اصلی استفاده می شود: درمان بیرونی از طریق عوامل شفابخش (به عنوان مثال، میکروکاتورهای ثابت شده حاوی دی سی بازتید و کاتالیزورهای اولیه) و درمان ذاتی با استفاده از پیوندهای برگشت پذیر (به عنوان مثال، محققان برش نقره ای).

آلیاژهای فلزی پیشرفته (برخلاف فولاد و مس)

نوآوری های متالورژیی همچنان به فشار مرزهایی ادامه می دهند، آلیاژهای با محدودیت بالا (HEAs)، متشکل از پنج یا بیشتر عناصر محرک در نسبت های نزدیک به شفاف، نشان دادن ترکیبات سریع تر قدرت-تقاطر (به عنوان مثال، CoCrFeNiMn HEAs نشان می دهد که خستگی بیش از 200 {\displaystyle 107، outperification فولادهای معمولی در برابر فشار آلیاژی که در اتصالات فلزی وجود دارد، اما برای کاهش اتصالات کاهش اتصالات کاهش دهنده ی ایمنی آهن، توصیه می شود.

ویژگی های مقایسه ای مواد نوظهور

انتخاب مواد بهینه برای یک برنامه الکترومکانیکی داده نیاز به متعادل سازی خواص متعدد دارد. جدول زیر ویژگی های کلیدی مواد مورد بحث در مقایسه با معیارهای سنتی (خلاف، مس، پلاستیک های استاندارد) را خلاصه می کند.

  • Graphene / CNT کامپوزیت: نسبت قدرت به وزن، هدایت الکتریکی عالی و حرارتی، اما هزینه بالا (~ 100 - $500 / g برای گرافن تک لایه) و چالش های پراکنده.
  • آلیاژهای حافظه شکل: فشار قابل بازیابی بزرگ، مقاومت خستگی بالا تحت چرخه حرارتی کنترل؛ سرعت عمل محدود به دلیل تاخیر حرارتی و نسبتا گران (~500 /kg برای NiTi).
  • کامپوزیت ماتریسی (Ceramic ماتریس کامپوزیت: سختی شدید، ثبات دمای بالا (1200 ° C +، گسترش حرارتی پایین؛ شکننده تحت فشار کشش کششی، دشوار برای ماشین.
  • پلیمرهای خود شفا بخش: تعمیر ترک خودکار، تعمیر تعمیر و نگهداری؛ در حال حاضر چرخه های شفا محدود (10 -100)، قدرت مکانیکی پایین تر از پلاستیک های مهندسی.
  • آلیاژهای پیشرفته-نتروفی: خوردگی و مقاومت در برابر خستگی، خواص تنبل؛ پردازش پیچیده، هنوز هم به دلیل عناصر نادر (Co، Ni، Cr) گران است.
  • کامپوزیت های ماتریسی فلزی (Al-SiC): سفت و سخت به وزن، مدیریت حرارتی خوب؛ دشوار پیوستن، مستعد به خوردگی گالوانیزه.

چالش در اتخاذ مواد

علی رغم نتایج آزمایشگاه امیدوار کننده، پذیرش گسترده صنعتی این مواد در حال ظهور با موانع متعدد مواجه است.هزینه همچنان یک مانع اصلی ASTM است: تولید گرافن با انرژی فشرده است و SMA ها نیاز به کنترل دقیق ترکیب استانداردهای تولید مقیاس پذیر مانند رسوب بخار شیمیایی برای گرافن، متالورژی پودر برای HEAs، و سیم پیچ و خم مداوم فیبر برای CMC باید هزینه های لازم را با استفاده از مواد برش جامد به سادگی تغییر مواد کامپوزیت دیگر - بدون استفاده از مواد افزودنی مواد افزودنی مواد.

راهنمایی های آینده در مهندسی مواد

دهه آینده احتمالاً همگرایی چندین روند تکنولوژیکی را که باعث تسریع در استفاده از مواد افزودنی (۳-۳) می شود، تولید قطعات چند ماده ای را با خواص درجه بندی شده - برای مثال، یک شفت حرکتی که از هسته فولاد به یک سطح سرامیک در هر ژورنال برش الکتریکی منتقل می کند، شناسایی میلیون ها ترکیب کاندید برای شناسایی SMA مطلوب یا HE به عنوان آزمایش های تجربی که نیاز به تزریق الکترولیتی دارند، می تواند به بررسی قطعات برشی ساده (۲) باشد.

نتیجه گیری

مواد نوظهور - از گرافن اتم و پلیمر های خود شفا بخش به آلیاژهای پیشرفته و فلزات حافظه شکل هوشمند - مسیرهای روشن تر برای به طور چشمگیری افزایش یافته در اجزای الکترومکانیکی، با بهبود مقاومت مکانیکی، مدیریت حرارتی، تحمل و ثبات زیست محیطی، این مواد فواصل خدمات طولانی تر، قدرت بالاتر، و عملکرد در شرایط قبلی مشخص شده است، با بهبود سریع فن آوری های قابل اعتماد به کارگیری مواد، و قابلیت های قابل اطمینان در حال اجرا، می تواند به سرعت ادامه دهد.