חומרים חכמים מונדסים להגיב דינמי לגירויים סביבתיים כגון טמפרטורה, לחץ, שדות חשמליים או מגנטיים, וחשיפה כימית.היכולת שלהם לשנות תכונות באופן צפוי וניתוק פתח אפשרויות טרנספורמטיביות על פני שטח, ביו-רפואי, אנרגיה ואלקטרוניקה צרכנית.אפשרות קריטית לפיתוח חומרים הנדסיים מתקדמים אלה היא תהליך של הסרת חומרים מבוקרים המאפשרים למהנדסים בדיוק להתאים את פני השטח, לשנות את התכונות הכימיות שלהם, ולצמצם את החומרים המשתנים באופן מלאכותיים.

מנגנונים למדע חומרי

Ablation כוללת כמה תהליכים פיזיים וכימיקליים נפרדים המסלקים חומר משטח מוצק.בחירה של המנגנון תלויה בסוג החומרי, תוצאה הרצויה, ומגבלות היישום.שיטות ההסתה הרלוונטיות ביותר לפיתוח חומרי חכם כוללות הדבקה תרמית, דלקת לייזר, דלקת לייזר, הדבקה כימית ו anblation מכני.

Ablation

הביטול הצחיח משתמש בחום עז כדי להתחסן או להמיס שכבות משטח.בהנדסת אווירופייס, זהו העיקרון מאחורי מגיני חום שמגנים על החללית במהלך החזרה אטמוספירית.חומר הבוגדני סופג אנרגיה תרמית קיצונית, כריזים, ורוקדים, נושאת חום הרחק מהמבנה הבסיסי.

לייזר Ablation

דלקת לייזר משתמשת דופקי לייזר ממוקדים כדי להסיר חומר עם דיוק גבוה, לעתים קרובות ללא השפעה על הרוב.טכניקה יכול להשיג גדלים תכונה ממילימטרים למטה nanometers, מה שהופך אותו אידיאלי עבור משטח דפוס וטקסטור חומרים חכמים. Ultrafast (femtoII) לייזרים ממזער אזורי חום-פגום, שמירה על המאפיינים הבסיסית של חומר.

« סליחות כימי

הגשמה כימית כוללת את הסרת החומר באמצעות תגובות גירוד עם חומצה, alkaline, או כלי תקשורת גז תגובתי.זה שימושי במיוחד ליצירת מבנים ⁇ או הסרת שכבות מקריות בתרכובות חכמות רב-חומריות.כימיקלים יכול גם להיות מועסקים כדי לנקות משטחים, להפעיל אג"ח כימי, או להציג קבוצות פונקציונליות שמשפרות חיישן או יכולות של עצמו.

כישוף

הגשמה מכנית משתמשת בכוחות abrasive, רטט קולי, או סילון נוזלי כדי להסיר חומר.בעוד פחות מדויק מאשר לייזר או שיטות כימיות, זה מתאים לעיבוד גדול או משטחים מחוספס כדי לשפר את ההתערבות המכנית בציפויים חכמים. הגשמה מכנית היא לעתים קרובות בשילוב עם טכניקות אחרות בתהליך של רצף להשגת הטופוגרפיה והכימיה הרצויה.

כיצד Ablation Tailors Smart Materials

שיבוש אינו רק תהליך הסרת; הוא כלי להנדסת נכסים.על ידי שליטה על המידה, דפוס מרחבי ופרמטרי אנרגיה של הדבקה, החוקרים יכולים לשנות את התכונות הקריטיות של חומרים חכמים.

OUTFIC AND TEXING

הטופוגרפיה של חומר חכם משפיע ישירות על אינטראקציה עם הסביבה. Ablation יכול ליצור מערךים מסודרים של תאי מיקרו, grooves, או מבנים היררכיים שמשנים את האופן שבו חומר רטוב, משקף אור, או לדבוק משטחים אחרים.לדוגמה, תבניות לייזר על פולימרואלקטרי יכול לשפר את יעילותו של הדור על ידי הגדלת השטח האפקטיבי, באופן דומה, צורה מבוקרת על פני השטח יכול ליצור תבניות על פני השטח או על פני השטח.

הנדסת כימיקלים ותפקוד

Ablation יכול לשנות את הכימיה פני השטח על ידי הסרת אלמנטים מסוימים או חשיפת שכבות תגובתיות טריות. לייזר ablation באווירת גז תגובתי יכול לייצר תחמוצת פני השטח או שכבות nitride שמשפרות התנגדות קורוזיה או פעילות קטליטית.בחומרים של השמדה עצמית, חיסון מבוקר יכול לשמש גם כדי לקרוע microcapsules מוטבע במריצה, שחרור סוכנים בדיוק הריפוי שבו מתרחשת נזק כימי.

המונחים: Layer Removal

במערכות חומר חכמות רב שכבתיות, כגון חלונות אלקטרו-כרומטיים או ממריצים, בקרה עובי מדויקת של כל שכבה פונקציונלית היא חיונית.טכניקות למניעת פס מבוקר של שכבות מבלי להתפשר על המצע.יכולות אלה קריטיות במרקם של מערכות מיקרו-אלקטרוניקה-אלקטרוניקה (MS) שבו מבנים מסלקים דורשים את הסלקציה של שכבות הקרבה.

יצירת מבנים היררכיים ורב-מכיר

חומרים חכמים מתקדמים לעתים קרובות ליהנות אדריכלות היררכית המשתרעת על ידי ננו, מיקרו, ומאקרו בקנה מידה. Ablation יכול לייצר תבניות בקנה מידה מיקרו-מידה כי הם יותר שונה על ידי תחריט כימי כדי ליצור nano-outs. משטחים בקנה מידה כזה יכול להציג תכונות אופטיות ייחודיות (צבע מבנה) או התאמה מכנית משופרת. עבור חיישנים גמישים, ablation מבוקר יכול ליצור דפוסים-release כי למנוע סדקים תוך שמירה על ידי שמירה על ידי שמירה על קשר תוך שמירה על ידי שמירה על קשר חשמלי.

סוגים של חומרים חכמים שגודלו על ידי Ablation

Ablation הוחל על מגוון רחב של כיתות חומר חכמות. להלן הן דוגמאות מפתח הממחישות כיצד טכניקות למניעת הריון שימשו לשיפור הביצועים או לאפשר פונקציונליות חדשה.

Shape Memory Alloys (SMAs)

Shape memoryסגסוגתs, כגון ניקל-טינום (Nitinol), לשחזר את הצורה המקורית שלהם כאשר מחומם מעל טמפרטורת טרנספורמציה. טכניקות Ablation משמשים לרכיבי SMA עם גיאוגרפיה מורכבת (למשל, stents, Actuators) ללא גרימת נזק תרמי לא רצוי שיכול לשנות את אפקט הזיכרון.

חומרים Piezoelectric

חומרים Piezoelectric לייצר מטען חשמלי תחת לחץ מכני. Ablation מאפשר דפוס מדויק של שכבות אלקטרודה והסרת אזורים לא פעילים להתמקד במתח באזורים ספציפיים. .Abolet לייזר משמש כדי להגדיר אלקטרודות interדיגיטליות על קרמיקה פולימרים ופולימרים, שיפור היעילות של קצירי אנרגיה וחיישנים. Surface טקסט באמצעות abluration יכול גם להגדיל את ההפיכה יעילה על ידי צמצום ממשק לא מתאים.

חומרים אלקטרו-כרומטיים

חומרים אלקטרו-כרומטיים משנים צבע או זוועה בתגובה למתח יישומי, המשמש בחלונות חכמים ותצוגה. תהליכי Ablation מועסקים כדי לעצב שכבות תחמוצת קומפקטיות שקוף (למשל, ITO) ללא פגיעה בסרט אלקטרו-כירומי הבסיסי. לייזר ablation יוצר פרופילים קצה נקי הממזער את הדליפה הנוכחית ולשפר את המהירויות.

חומרי ההולכה

חומרי הפחתת העצמי מכילים מיקרו-capsules, רשתות פולשניות, או פולימרים ניתוק כי תיקון נזק באופן אוטומטי. Ablation ממלא תפקיד כפול: ניתן להשתמש בו כדי ליצור את החללים הפנימיים או הערוצים שסוכני ריפוי בית, והוא יכול לשמש גם כדי לגרום ריפוי על ידי הסרת שכבה מקומית.

חומרים נורמטיביים

חומרים אנדרומואלקטריים להמיר ⁇ טמפרטורה לתוך מתח חשמלי ולהיפך.יעילותם תלויה בשמירה על מוליכות תרמית נמוכה תוך שמירה על מוליכות חשמלית גבוהה. Ablation יכול ליצור מבנים ננו- ⁇ אשר פיזור פוני (נושאי חום) ביעילות רבה יותר מאשר אלקטרונים.לדוגמה, דלקת לייזר של ביסבול שניות יכול גם לייצר משטחים של ⁇ אשר מפחיתה התנהגות תרמית על ידי שמירה על תפקוד כימי גם כדי למנוע טמפרטורות.

יישומים הנדסיים של חומרים חכמים

השילוב של טכניקות למניעת הריון עם חומרים חכמים הוביל למכשירים ומערכות מעשיים במספר מגזרים הנדסיים תובעניים. להלן הן יישומים מדגימים בעלי משמעות בעולם האמיתי.

אוויר והגנת

בחלל, חומרים חכמים ablation-enhanced הם קריטיים עבור מערכות הגנה תרמי ומבנים אדפטיים. פחמן-פחמן מורכב ו phenolic-resin ablators מוחלים כמגן חום עבור כלי רכב re-כניסה. לייזר ablation משמש למכונה ערוצי קירור לתוך מאטריקס תרכובות עבור רכיבים היפרסטליניים.

מכשירים ביו-רפואיים

יתרונות הנדסיים ביו-רפואיים מחומרים חכמים מעובדים בשתלים, מערכות אספקת תרופות וחיישנים אבחון. לייזר-המתקדמונים מתקדמים של ניטינינול שיפרו את ההמולה והפחיתו את ה- thrombogenicity. Controlled ablation על משטחים הידרוגל יוצר מיקרו-וולים עבור קטנטנות תאים ושחרור סמים מבוקר.

ניטור סביבתי ואנרגיה

חומרים חכמים מעובדים על ידי ablation משמשים חיישנים סביבתיים שמזהים מזהמים, לחות או גזים רעילים.לדוגמה, תחמוצת אבץ תחמוצת לייזר על תת-חמצני ⁇ אדזואלקטרית יוצרת חיישן גז מונע עצמי שמגיב לחנקן דו-חמצני בטמפרטורת החדר.ביישומים אנרגיה, משטחים סיליקון מונחה על מנת לשפר את המלכודת האור בתאים סולאריים, ו-Abtra-Ficial-Ficial ביעילות עם סוללות ממחזור חום.

רובוטיקה וחוק רך

רובוטיות רכות דורשות חומרים שיכולים לשנות צורה, קשיחות או צבע בתגובה לגירויים. Ablation מאפשר ייצור של ערוצים משובצים וכבדות בחומרים חכמים אלסטומריים (למשל, אלסטוממים דיאלקטריים, לעצב פולימרים זיכרון) לייזר יוצר גם חומרים תלת-ממדיים מורכבים ללא צורך בתבניות, המאפשרים נטיות מהירה של מעשים רכותיים.

טכניקות מתקדמות ובקרת אחריות

ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית ה-Ablation אפשרה שליטה חסרת תקדים על גודל תכונה, עומק ושינוי כימי.טכניקות אלה מרחיבות את האפשרויות להנדסה חומרית חכמה.

המונחים: ablation

לייזרים (fs) מספקים דופקים אנרגיה על זמן קצר יותר מאשר זמן הפיכה אלקטרונים, בעצם חיסון חומר ללא דיפוזיה תרמית.זה מאפשר דיוק תת-מיקרומטר ויצירת שינויים לא-ablative כגון שינויים חנקן מחדש של אינדקס לימטר (למשל חומרים חכמים, זיוף fs-laser יכול בגלמנטים, Braggings, או נפח של אלקטרו-מפסיבי (למשל, גם) של רכיבי אלקטרו-אפקטיביים).

Cryogenic and Plasma - Assis

חנקן Cryogenic משתמש בפולימרים חכמים נוזליים או קירור אחרים כדי לגרד את החומר, להפחית נזק תרמי.זה מועיל במיוחד עבור פולימרים חכמים רגישים חום או חומרים ביולוגיים. Plasma-sma-sted ablation משתמשת פלזמה תגובתית כדי לשפר את שיעורי הסרה ולשפר את איכות קצה. בשילוב עם לייזר, פלזמה ניתן להשתמש כדי לנקות או להעביר את פני השטח מיד לאחר הסרת, מניעת חמצון לאפשר תהליכים כימיים אלה.

מערכות ניטור והזנת משוב

כדי להשיג תוצאות מוכחות, מערכות למניעת הריון מתקדמות משלבות טכניקות ניטור בזמן אמת כגון tomography coherence אופטית (OCT), פליטה אקוסטית חישה, או ניתוח ספקטרוסקופי. אלה לולאות משוב מאפשרות הפרמטרים של אימות דינמי, כפיהה עבור חומרים הומוגניים או חום.

אפשרויות לעתיד ודרכים מחקר

הצומת של טכנולוגיה של הדבקה וחומרים חכמים הוא אזור פורייה לחדשנות עתידית. מגמות מספריות נוטות לעצב את הדור הבא של חומרים חכמים מהונדסים.

תהליכי אקו-ידידותיות ו- Sustainable Ablation

שיטות מסורתיות למניעת הריון יכולות לייצר לייזרים מסוכנים, חלקיקי פסולת, או לדרוש כימיקלים רעילים.מחקר מתמקד ב"ירוק" תוך שימוש בלייזרים מודרך מים, עיבוד מבוהל יבש, או גזי אינפלציה פלזמה אינרטיים.עבור חומרים חכמים המיועדים לשימוש סביבתי או ביו-רפואי, חיסול שאריות כימי הוא רב ערך.

שילוב עם ייצור תוספתי

שילוב של ייצור תוספים (3D הדפסה) עם הדבקה תת-קרקעית מאפשר ייצור של חומרים חכמים עם אדריכלות פנימית מבוקרת.לדוגמה, ניתן להדפיס פולימר זיכרון צורה, ולאחר מכן מותאמים באופן סלקטיבי כדי ליצור מנוף קל עם נוקשות ייצור היברידית.

אופטימיזציה של Ablation Parameters

אלגוריתמי למידת מכונות מוחלים על מנת לחזות הגדרות אופטימליות עבור תוצאה חומרית ורצויה נתונה.על ידי אימון על נתונים של תוצאות של זיוף, רשתות עצביות יכולות להציע תנודות לייזר, משך הדופק, ואסטרטגיות סריקה הממקסימות את הדליפה של דפוס בעוד צמצום נזקי collateral.זה מקטין את הניסוי-and-טרור בפיתוח משטחים חכמים עם פונקציונליות מסוימת (למשל, זווית מדויקת עבור פועל-עצמי).

Multi-Responsive ו-התאמה

חומרים חכמים עתידיים צפויים להגיב יותר מאשר אחד גירויים בו זמנית - למשל, משטח שמשנה צבע, רטובות, ונוקשות בתגובה לטמפרטורה ו- pH. Ablation ניתן להשתמש כדי ליצור משטחים היברידיים שבו אזורים שונים מכוונים לגירויים שונים.

התפקיד של blation בפיתוח חומרי חכם ממשיך להתרחב כמו מהנדסים ומדענים חומרים לחדד טכניקות קיימות ולהמציא חדשים.מאפשר פונקציונליות משטח מדויקת בצורת ⁇ זיכרון ליצירת מבנים היררכיים במגירים תרמואלקטריים, ablation מציעה גישה מגוונת, מדרגית להתאמה אישית של נכסים. כמו הביקוש לחומרים אינטליגנטיים הסתגלותיים, גדל, סינרגיה בין תהליכים מנטליים וטכנולוגיים חכמים יישארו אבן הפינה של הנדסה.