كتب 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 اعتمادا على خصائص المواد المثيرة للاهتمام. بعض هذه المواد يحمل تغيرا في الحجم عندما يتعرض إلى حافز خارجي مثل الجهد الكهربائي، والبعض الاخر يتقلص، أو يتوسع، أو يتحرك عند تسخينه أو تبريده. وانواع اخرى من المواد الذكية لاتزال تنتج اشارات كهربائية عندما تنحني أو تتمدد. وتوجد أسماء اخرى لهذه الأنواع من المواد مثل المواد الذكية، والمواد التكيفية.

يمكن تحديد حالة زوج من المتغيرات من حيث الفكر على انها وسيلة لتحديد حجم أو موقع بداخل مجال مادي. على سبيل المثال فإن المجال الميكانيكي، حالة المتغيرات هي حالات الضغط العصبى والتوتر " حالات الإجهاد والانفعال " داخل تلك المواد. مثال آخر على المجال المادي هو المجال الكهربائي، والذي تكون فيه المتغيرات هي عبارة عن مجال كهربية وإزاحه كهربية للمواد.

تعريف المجالات المادية وحالة المتغيرات المرتبطة بها يسمح لنا بأن نكون أكثر دقة في تعريفنا لمصطلح الازدواج. الازدواج يحدث عندما يتم التغير في حالة المُتَغَير في مجال مادي واحد ويؤدى التَغَيُر في حالة المُتَغَير إلى فصل مادي للمجال. ويعرف الازدواج عامة بأنه مزيج من الأسماء المرتبطة مع مجاليين ماديين.على سبيل المثال التغير في درجة الحرارة للمادة هو الذي يغير الحالة في المجال الحراري، ويمكن أن يؤدى إلى تغير في حالة الانفعال، والذي يكون تغير في الحالة الميكانيكة. هذا النوع من الازدواج يسمى ازدواج الميكانيكا الحرارية بسبب ازدواج يحدث بين المجالات الحرارية والميكانيكية. تمثيل المفهوم المرئى للإزدواج بين كلا من المجالات الطبيعية يوضح في الشكل المقابل.

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 الاختلاف في الإجهاد والانفعال الميكانيكي بسبب وجود تحفيز حراري يطلق عليه التمدد الحراري.

علينا ان نركز على المواد التي يظهر فيها نوع واحد فقط من نوعي الازدواج: الميكانيكا الكهربية أو الميكانيكا الحرارية. وتتميز المواد الكهروميكانيكية من خلال قدرتها على تحويل الإشارات الكهربية إلى استجابة ميكانيكية، وعلى النحو المتبادل تحويل الحافز الميكانيكي إلى اشارات كهربية. حقيقة وجود علاقة متبادلة بين الإزوداج الميكانيكي والكهربي يدفعنا لتحديد هذه المواد باعتبارها مظهر لإتجاهين مزدوجين. المواد الميكانيكية الحرارية التي يتم دراستها هي مثال على تلك المواد التي تسلك ما نسميه ازدواج في اتجاه واحد. عند تسخين المواد الميكانيكية الحرارية فإنه يحدث لها تشوه ميكانيكي، لكن على خلاف المواد الكهربية، فإنها لاتنتج ارتفاعا في درجات الحرارة عندما يحدث لها تشوه ميكانيكي. يمكن التركيز على فهم خصائص الازدواج لثلاثة انواع من المواد الذكية. مواد كهروضغطية، وهي أول مجموعة من المواد التي تم دراستها، تحويل الطاقة بين المجالات الميكانيكية والكهربية. سبائك ذاكرة الشكل، وهي ثاني مجموعة من المواد التي تم دراستها وهي المواد التي يحدث لها تشوه عند تسخينها وتبريدها. الفئة الثالثة هي مجموعة من البوليمرات الكهربية النشطة والتي تحمل ازدواج كهروميكانيكي. ويوضح الشكل المقابل بإيجاز العلاقة بين المجالات الكهربية والحرارية والميكانيكية للمواد.

روؤس المثلث الثلاثة تمثل المجالات الفيزيائية والترابط فيما بينهم بالاسم. تقدم وسائل لدراسة الطبقات الثلاثة الواسعة للمواد المذكورة اعلاه. يتم دراسة الازدواج الكهروميكانيكي الذي يوجد بداخل المواد في المواد الكهروضغطية. وهذا يتطلب دراسة لتحديد الخصائص الفيزيائية الأساسية للمواد الكهروضغطية والتمثيلات الرياضية للإزدواج الكهروميكانيكي في هذه المواد. كما تتم دراسة سلوك الميكانيكا الحرارية لسبائك ذاكرة الشكل. كما هو الحال مع المواد الكهروضغطية والتي تم مناقشة ما يتعلق بخواصها الفيزيائية الأساسية وذلك في إطار النماذج الهندسية لهذه المواد. البوليمرات الكهربية النشطة هي الفئة الثالثة وهي فئة من المواد التي يظهر فيها الازدواج الكهروميكانيكي. هذه المواد تتشابه وظيفيا مع الاجهزة الكهروضغطية ولكن بها عدد من الخصائص المثيرة للاهتمام والتي تجعلها مفيدة للتطبيقات في الاجهزة الكهروضغطية الغير مناسبة.