Применение интеллектуальных материалов при производстве, диагностировании и ремонте машин

МОСКОВСКИЙ 

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
(МАДИ) 
 
 
 
 
 
В.А. ЗОРИН, Н.И. БАУРОВА  
 
 
 
 
 
 
 
 

ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ  

ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ, ДИАГНОСТИРОВАНИИ И РЕМОНТЕ МА
ШИН 

 
МОНОГРАФИЯ 

МОСКВА       2011 

УДК 62:004.891.3 
ББК 30.82-08 
З 862 

Рецензент: 

зав. кафедрой «Технология металлов» Московского государственного 
строительного университета, д-р техн. наук, профессор Ю.И. Густов 

 
Зорин, В.А. 

З 862   Применение интеллектуальных материалов при производстве, диагностировании и ремонте машин: монография / В.А. Зорин, 
Н.И. Баурова. – М.: МАДИ, 2011. – 173 с. 
 
 
В монографии рассмотрены технические свойства интеллектуальных материалов и области их практического применения 
при производстве, диагностировании и ремонте транспортных, 
строительных, коммунальных машин, а также строительных конструкций. Показаны преимущества и недостатки интеллектуальных материалов. Монография отличается большой практической 
направленностью и поможет специалистам выбрать материал 
для ремонта и диагностирования. 
Монография предназначена для широкого круга специалистов и может быть использована студентами и аспирантами 
высших учебных заведений в качестве учебного пособия. 

УДК 62:004.891.3 

ББК 30.82-08 
 
 
© Московский автомобильно-дорожный  
государственный технический университет (МАДИ), 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ……………………………………………..…………………. 
5 
1. Введение в интеллектуальное материаловедение ….…. 
6 
 
1.1. Понятие интеллектуальных материалов и технологий.. 
6 
 
1.2. Общие сведения о моделировании наноструктурированных материалов и конструкций …………….………... 
 
13 
 
1.3. Методология применением интеллектуальных наноструктурированных материалов при производстве, диагностировании и ремонте машин …………………...…….. 

 
 
25 

 
 
 
 
2. Интеллектуальные материалы, применяемые при  
производстве, диагностировании и ремонте машин…… 
 
34 
 
2.1. Оптические сенсоры ………………………….……….…… 34 
 
2.2. Пьезокомпозитные датчики ………………………..……… 38 
 
2.3. Материалы с эффектом памяти формы ……………....... 44 
 
2.4. Жидкокристаллические полимерные материалы …..…. 49 
 
2.5. Магнитострикционные материалы …………..………..…. 55 

 
 
 
 
3. Интеллектуальные материалы на базе углеродных  
волокон ……………………………………………………………... 
 
58 
 
3.1. Общие сведения об углеродных волокнистых  
наполнителях …………………………………………..….… 
 
59 
 
3.2. Оценка интеллектуальных свойств углеродных  
волокон ………………………………………..……………… 
 
63 
 
3.3. Влияние нанодефектов углеродных волокон на их  
интеллектуальные свойства ……………………………… 
 
72 
 
3.4. Прогнозирование работоспособности углеродных  
волокон в системах диагностирования …………………. 
 
83 

 
 
 
 
4. Технология применения интеллектуальных материалов 
на базе углеродных волокон при производстве, 
диагностировании и ремонте машин ……..………………… 

 
 
86 
 
4.1. Определение оптимальной схемы монтажа диагностических датчиков на конструкции ………………….….. 
 
87 
 
4.2. Влияние способа крепления углеродного волокна на 
конструкции ……………………………………………....….. 
 
94 

4.3. Технология крепления углеродного волокна к приборам в процессе снятия показаний ………………..………. 
 
97
 
4.4. Влияние постоянного и переменного токов на точность 
диагностирования с использованием углеродных  
волокон……………………………………………………..…. 

 
 
101

 
 
 
 
5. Использование интеллектуальных материалов при  
решении инженерных задач ……………………………...….... 
 
103
 
5.1. Метод диагностирования с использованием углеродных волокон ………………………………………………….. 
 
104
 
5.2. Метод диагностирования с использованием углеродных волокон и жидкокристаллических полимерных  
материалов …………………………………………………... 

 
 
112
 
5.3. Метод диагностирования с использованием нанокапсулированных красителей …………………………..….…. 
 
118

 
 
 
 
6. Методы и средства измерения прочности и стойкости 
интеллектуальных материалов к воздействию эксплуатационных и технологических факторов ……………..…….

 
 
127
 
6.1. Определение влияния эксплуатационных факторов .... 127
 
6.2. Определение влияния климатических факторов ……... 138
 
6.3. Определение влияния технологических факторов ….... 145

 
 
 
 
7. Интеллектуальные материалы в природе …………..……. 148
 
7.1. Природные неорганические интеллектуальные  
композиционные материалы ……………………………... 
 
148
 
7.2. Древесные интеллектуальные материалы ……..……… 155
 
7.3. Интеллектуальные адгезивные природные  
материалы ………………………….…………………….… 
 
160

 
 
Литература ………………………………………...……………….…... 
167
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Технический прогресс в значительной степени порождает необходимость разработки новых и совершенствование известных методов контроля технического состояния элементов машин и строительных конструкций. В сложившихся условиях развития методов 
определения состояния сложных механических систем формируется тенденция к проведению контроля технического состояния машин 
на всех этапах жизненного цикла: проектирования, изготовления, 
эксплуатации, ремонта и модернизации. Такой подход позволяет 
повысить не только эффективность диагностирования машин и 
строительных конструкций, но и их надежность.  
Интеллектуальная индустрия (в том числе интеллектуальная 
наноиндустрия) является принципиально новой отраслью промышленности. За последнее десятилетие количество научных публикаций в этой области существенно превышает количество публикаций 
по всем прочим направлениям развития науки. Такой повышенный 
научный интерес связан с широчайшими областями применения и 
колоссальными возможностями, которые открывают перед человечеством наноматериалы и нанотехнологии. Исследования эксплуатационных свойств, увеличение объемов производства и снижение 
стоимости интеллектуальных наноматериалов уже в ближайшее 
время обеспечат их применение во всех отраслях промышленности.  
Интеллектуальные технологии уже в наше время широко применяются в самых различных отраслях машиностроения. Дальнейшему расширению их использования препятствует недостаточная 
осведомленность инженерных и научных работников в вопросах 
прочности, надежности и долговечности интеллектуальных материалов.  
В предлагаемой монографии рассматриваются технические 
свойства интеллектуальных материалов и области их практического 
применения при производстве, диагностировании и ремонте транспортных, строительных, коммунальных машин, а также строительных конструкций. 

1. ВВЕДЕНИЕ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ  
 
В истории развития материалов насчитывалось пять поколений. 
Материалами первого поколения были камень и дерево; второго поколения – керамика, медь, бронза, железо, сталь, алюминий, титан; 
третьего – синтетические материалы, такие как смолы, каучуки и 
волокна. Материалами четвертого поколения считаются композиционные материалы, а к пятому поколению относятся интеллектуальные материалы.  
В последние годы все большее внимание уделяется разработке 
интеллектуальных материалов и конструкций, которые способны 
реагировать на изменение внешних или внутренних условий (изменяя свое статическое и динамическое поведение) и именно поэтому 
могут быть использованы в качестве сенсоров. Такие материалы 
называют 
«адаптивными» 
(«adaptive»), 
«управляемыми» 
(«controlled»), активными («active»), «самонастраивающимися», «разумными» («smart») или «интеллектуальными» («intelligent»). В России эти материалы чаще всего называют интеллектуальными, причем слово «интеллектуальный» кавычками не выделяют. 
 
1.1. Понятие интеллектуальных материалов и технологий 
 
Идея создания интеллектуальных материалов, обладающих 
способностью самостоятельно диагностировать свое состояние, 
принадлежит японскому профессору Тошинори Такаги, который 
первым предложил проектировать конструкции, которые обладали 
бы свойствами нейрона в живом организме [6]. Для практической 
реализации этой идеи необходимо было первоначально найти элементы, которые характеризовались бы высокой чувствительностью 
к механическому состоянию конструкции.  
Большой вклад в развитие интеллектуальные материалов и 
конструкций внесли русские ученые С.П. Губин, А.И. Гусев, Ю.И. 
Петров, А.А. Ремпель, А.С. Розенберг, Г.Б. Сергеев, И.П. Суздалев, 
Ю.Д. Третьяков и многие другие [24-25; 67].  
Некоторые авторы полагают [7; 20; 69], что материал является 
интеллектуальным, если он способен получать информацию и реа

гировать на изменение внешних или внутренних условий. Способность материалов получать информацию и реагировать аналогична 
способности живых организмов чувствовать и двигаться. 
В общем виде интеллектуальный материал можно представить, 
как материал с четырьмя встроенными функциями (рис.1.1): процессорной, сенсорной, исполнительной и восстановительной.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. 1.1. Структура интеллектуального материала 
 
На рис. 1.2 и рис. 1.3 показаны структурные схемы регистрации сигналов, получаемых датчиками, встроенными в интеллектуальную конструкцию. Более простая схема анализа информации показана на рис. 1.2. Ее основным недостатком является отсутствие 
обратной связи. Схема на рис. 1.3 имеет замкнутый цикл, она позволяет изменять порядок обработки информации и имеет возможность анализировать информацию, поступающую от различных источников. Данная схема позволяет проводить проверку, обеспечивает анализ работы датчиков и является наиболее универсальной 
для описания работы большинства интеллектуальных материалов. 
По оценкам многих экспертов, в ближайшем будущем создание 
интеллектуальных материалов будет осуществляться по пути проектирования интеллектуальных конструкций, которые разделяют на 
три группы [6]. 
 Интеллектуальные конструкции I типа (пассивные), которые 
могут диагностировать свое состояние в процессе эксплуатации. 

 Интеллектуальные конструкции II типа (активные), способные не только диагностировать свое напряженно-деформированное 
состояние, но и подстраиваться под изменение внешних условий, в 
том числе и путем изменения формы и свойств. Такие конструкции 
обладают способностью обнаруживать появление неисправностей 
(повреждений) и принимать меры для устранения или смягчения их 
последствий. 
 Интеллектуальные конструкции III типа, способные к обучению и изменяющие свою реакцию в зависимости от приобретенного 
опыта. 
Перечисленные выше виды конструкций можно реализовать 
путем внедрения чувствительных элементов или силовых приводов 
в материалы.  
К группе интеллектуальных конструкций I рода относится достаточно большая группа конструкций, при изготовлении которых использованы материалы, обладающие рядом специальных свойств. 
В качестве одного из наиболее простых примеров можно привести 
широко распространенные огнезащитные материалы [38]. 
Эти материалы способны в процессе своей эксплуатации при 
возникновении специальных условий (в данном случае огня) резко 
изменять свои свойства и превращаться из обычных, казалось бы, 
декоративных лакокрасочных покрытий в «вспучивающиеся». Эти 
материалы были специально разработаны для огнезащиты, поскольку они не только трудновоспламенимы и обладают способностью к самозатуханию, но и препятствуют распространению горения 
в открытом пламени. Интеллектуальная составляющая этих материалов состоит в том, что под действием огня происходит самопроизвольное увеличение их толщины с образованием прочного и пористого углеродного каркаса, который выполняет роль тепловой 
изоляции и сам не выделяет токсичных веществ. 
Другим примером простейшего интеллектуального материала 
на основе полимерных композитов является термодеформируемые 
инверсирующие (т.е. самопроизвольно восстанавливающиеся) угле- 
и стеклопластики [7]. Эти материалы при определенных температурных условиях обладают способностью к полному восстановлению формы.  

Рис. 1.2. Общая схема регистрации интеллектуальным материалом 
внешних воздействий 

Первичный электрический сигнал 

Первичный электрический сигнал 

Вторичный  
датчик 

Вторичный электрический сигнал 

Обработка данных 
 

Предварительная обработка 

Выделение признаков 

Обработка 

Распознавание образов 

Решение 

Интеллектуальный    материал 

Первичный сенсор, регистрирующий изменение структуры материала 

Механические нагрузки 
Тепловое воздействие 
Химическое воздействие 

Параметры окружающей среды 

Интеллектуальный    материал 

Первичный сенсор, регистрирующий изменение структуры материала 

Механические нагрузки 
Тепловое воздействие 
Химическое воздействие 

Параметры окружающей среды 

Рис. 1.3. Общая схема регистрации интеллектуальным материалом 
внешних воздействий с обратной связью 
 

Интеллектуальный    материал 

Контроль 

Калибровка 

Обработка образа 

Выделение черт 

Учет условий 

Принятие решений 

Обработка информации 

Механические нагрузки 
Тепловое воздействие 
Химическое воздействие 

Параметры окружающей среды 

Первичный сенсор, регистрирующий изменение структуры 
материала 

Этот эффект – инверсирование высокоэластической деформации угле- и стеклопластиков – позволил по-новому решить ряд 
сложных инженерно-технологических проблем (футеровка труб 
среднего и большого диаметра, бестраншейный ремонт, восстановление магистральных продуктопроводов и др. 
Таких примеров можно привести еще очень много, и все они 
иллюстрируют широчайшие возможности даже самых простейших 
интеллектуальных конструкций.  
В результате создания «интеллектуальных» материалов в материаловедении появились понятия «обучаемости» материалов и 
«ощущения» ими предельных ситуаций. 
Для «интеллектуального» поведения материал должен иметь 
нелинейно изменяющиеся свойства. «Интеллектуальность» материалов основывается на: 
 контроле основных функций; 
 оптимизации свойств путем обучения; 
 наличии в них датчиков, контролирующих изменение факторов окружающей среды; 
 способности материалов анализировать ситуацию, возникшую в результате изменения окружающей среды; 
 способности реагировать на результаты собственного анализа окружающей среды. 
Интеллектуальная система должна разрабатываться с учетом 
всех особенностей ее функционирования. Можно выделить несколько основных этапов создания интеллектуальной системы. 
1. Выбор подходящих датчиков. При необходимости можно использовать сочетание различных датчиков. 
2. Расчет оптимального количества датчиков и определение 
способа их размещения.  
3. Определение способа и регулярности снятия показаний. 
4. Разработка алгоритма обработки информации. Система 
должна иметь обратную связь. 
В авиастроении в последние годы разрабатываются материалы 
с сенсорными функциями, которые получили название «информкомпозиты» [17]. Основное внимание направлено на разработку материалов двух типов. Первый тип – это силовые обшивки летательных 

аппаратов, которые кроме своих традиционных функций осуществляют самоконтроль над возникновением и развитием усталостных 
трещин. Второй тип – обшивки со встроенной комформной электроникой. Такая обшивка представляет собой совокупность самых разнообразных электронных устройств, осуществляющих функции 
приема, обработки и передачи информации в различных частотных 
диапазонах. Способность к самодиагностике в таких материалах существенным образом зависит от геометрических размеров конструкции, силового набора и схемы расположения сенсорных элементов. Например, обшивка некоторых военных самолетов (СУ-47, СУ35), выполненная из интеллектуальных композиционных материалов, позволяет значительно снизить уровень радиолокационного обнаружения противником. Также использование современных интеллектуальных материалов позволяет создать самолеты с аэроактивными крыльями, способными изменять свою форму в зависимости 
от условий полета.  
Современные интеллектуальные материалы не только способны анализировать уровень воздействия внешних факторов, но и 
адаптироваться к их изменению. При создании таких материалов в 
их структуру помимо датчиков встраиваются и актюаторы, которые 
вносят в структуру материала изменения на основе сигналов, полученных от датчиков. Такое поведение «интеллектуальных» материалов достигается, например, использованием в их составе металлических волокон или лент с памятью формы, способных к обратимому 
изменению первоначальной формы и размеров за счет термоупругого мартенситного превращения. Также в качестве актюаторов могут 
быть использованы полимерные материалы, изменяющие свой объем под воздействием электрического напряжения и материалы, способные преобразовывать электрическую энергию в механическую, и 
наоборот. 
С помощью интеллектуальных конструкций возможно отслеживать повреждения системы, т.е. проводить ее диагностирование [6]. 
Также с помощью создания интеллектуальных конструкций могут 
быть разработаны принципиально новые типы машин. Однако проектирование и расчет таких конструкций сталкиваются с рядом проблем, которые до конца к настоящему времени не решены. Это в