Розділ 8.12: Конструкційні матеріали: композити, розумні матеріали та збір енергії

Вивчення конструкційних матеріалів було важливою сферою досліджень з початку людської цивілізації, коли люди почали використовувати природні матеріали для різних цілей. Однак розвиток технологій призвів до розробки нових матеріалів, які володіють унікальними властивостями та характеристиками, що призвело до появи нових галузей, таких як розумні матеріали, збір енергії та композити.

Композитні матеріали — це матеріали, виготовлені з двох або більше різних матеріалів, які мають різні хімічні та фізичні властивості. Ці матеріали поєднуються, щоб створити новий матеріал із кращими властивостями, ніж окремі компоненти. Композитні матеріали широко використовуються в аерокосмічній, автомобільній та будівельній промисловості завдяки їх високому відношенню міцності до ваги та стійкості до корозії та втоми.

Розумні матеріали, також відомі як чуйні матеріали, — це клас матеріалів, які змінюють свої властивості у відповідь на зовнішні подразники, такі як температура, тиск, світло або магнітні поля. Вони використовуються в різних сферах застосування, зокрема в медичних пристроях, датчиках і приводах. Сплави з пам’яттю форми є прикладом розумних матеріалів, які можуть відновлювати свою початкову форму після деформації під дією тепла.

Матеріали, що збирають енергію, — це матеріали, здатні перетворювати енергію навколишнього середовища в електричну. Вони мають потенціал зробити революцію в енергетичній галузі, забезпечивши альтернативне джерело енергії. Приклади матеріалів для збору енергії включають п’єзоелектричні матеріали, які перетворюють механічну енергію в електричну, і термоелектричні матеріали, які перетворюють різницю температур в електричну енергію.

Розробці цих передових матеріалів сприяє використання обчислювального моделювання та високопродуктивного скринінгу. Обчислювальне моделювання дозволяє дослідникам моделювати поведінку матеріалів за різних умов, що призводить до відкриття нових матеріалів із бажаними властивостями. Високопродуктивний скринінг дозволяє швидко тестувати велику кількість матеріалів, дозволяючи ідентифікувати перспективних кандидатів для подальшого вивчення.

В останні роки було проведено значні дослідження щодо розробки матеріалів для зберігання та перетворення енергії. Наприклад, ведуться дослідження з розробки нових матеріалів для батарей і паливних елементів, які можуть ефективно зберігати та вивільняти енергію. Інші напрямки досліджень включають розробку матеріалів для перетворення сонячної енергії, таких як фотоелектричні матеріали, які можуть перетворювати сонячне світло в електрику.

Підсумовуючи, дослідження конструкційних матеріалів значно розвинулося з часом із розробкою нових матеріалів, таких як композити, розумні матеріали та матеріали для збирання енергії. Використання обчислювального моделювання та високопродуктивного скринінгу також допомогло у відкритті нових матеріалів із бажаними властивостями. Оскільки дослідження в цій галузі продовжуються, ми можемо очікувати подальшого прогресу в таких сферах, як накопичення та перетворення енергії, що веде до більш сталого майбутнього.