مادة ذكية

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث

مقدمه في نظم المواد الذكية[عدل]

الهدف من هذا الكتاب هو تقديم اطار عام لتحليل وتصميم هندسة النظم التي تتضمن المواد الذكية. المواد الذكية في هذا الكتاب تعرف على انها تلك التي تظهر ارتباط بين مجالات ماديه متعدده, من الامثله الشائعة لهذه المواد تلك التي يمكن تحويل اشاراتها الكهربية إلى حركه ميكانيكيه وتحويل الحركة الميكانيكية إلى اشارت كهربيه " انتاج تيار كهربى ", سوف نتعلم عن المواد الاخرى التي يمكن تحويل طاقتها الحرارية إلى إجهاد ميكانيكى ,وتحويل زوج حركة الأنواع الكيميائية التي بداخل المادة إلى خرج ميكانيكى او إشارات كهربيه .ونحن نركز على فهم الخصائص الفيزيائيه الأساسية لانواع مختلفه من المواد . إعتمادا على هذا الفهم فنحن نقوم بتطوير نماذج رياضيه لهذه المواد الذكية ومن ثم دمج هذه النماذج في تحليل النظم الهندسية . خلال هذا الفهم الاساسى لخصائص المواد الذكية وكيفية دمجها للأنظمه الهندسية ؛ نحن سوف نكتسب فهم من تلك السمات الهندسية مثل مدى الحركة , والقدره على توليد القوة , وسرعة الاستجابه للمواد.

المركزية في هذا الكتاب هى تطوير الاساليب لتحليل وتصميم الانظمه التي تتضمن المواد الذكية. يمكننا تعريف نظام المواد الذكية بإعتبارها النظم الهندسية التي تستخدم خصائص ربط المواد الذكية لتوفير الوظيفة. هذا مصطلح عام جدا لكنه مناسب في ما يتعلق بتنظيم هذا الكتاب . نظم المواد الذكية التي تشبه هذا التعريف تشبه الآلة التي تستخدم لتحويل الطاقة الكهربية كوسيله للرصد في الوقت الحالى , ونظام تصيع رقائق اشباه الموصلات التي تستخدم المواد الذكية للسيطره على الحركة من مرحلة تحديد المواقع مع مستوى نانو مترى دقيق. وهناك امثله اخرى تشمل استخدام مواد السيراميك الذكية كوسيله للسيطره على الاهتزازات من المقاتلات النفاثه او للحد من اهتزازات المعدات البصرريه الحساسه. - في اطار التعريف الواسع الذي اقترحناه فإن المواد الذكية تشمل أيضا استخدام الأسلاك المرنه المستعاره لمحدودى قوة الرقاقات او كوسيله للسيطره على التوسع في الدعامات, وفى الاجهزه الطبية التي تفيد في علاج امراض القلب والشرايين.كل من هذه التطبيقات لنظم المواد الذكية تتطلب معرفه للخصائص الأساسية للأنواع المختلفة من المواد الذكية , واساليب لنمذجة آليات ربط لهذه المواد , ومناهج الرياضيات لإدماج نماذج ماديه في نماذج النظم الهندسية. إذن هذه هى المواضيع الثلاثة وهى الموضوعات الرئيسية لهذا الكتاب. وبالإضافه إلى هذه الموضوعات الرئيسية سوف ندرس مواضيع محدده في استخدام المواد الذكية : استخدام نظم المواد الذكية من اجل السيطرة على الحركة , الاهتزازت , وإزالة التشويش وقوة الاعتبارات المرتبطة بنظم المواد الذكية.

أنواع المواد الذكية[عدل]

دراسة المواد الذكية ونظم المواد الذكية كانت تعتمد على دراسة قواعد السلوك المختلفة " التخصصات المختلفة " خلال العشر إلى عشرين سنه الماضية الماضية , قد تم العثور على عدد من المواد الذكية إعتمادا على خصائص المواد المثيره للإهتمام. بعض هذه المواد يحمل تغيرا في الحجم عندما يتعرض إلى حافز خارجى مثل الجهد الكهربى, والبعض الاخر يتقلص , او يتوسع , او يتحرك عند تسخينه او تبريده . وانواع اخرى من المواد الذكية لاتزال تنتج اشارات كهربيه عندما تنحنى او تتمدد .وتوجد أسماء اخرى لهذه الأنواع من المواد مثل المواد الذكية , والمواد التكيفيه. كما لوحظ في وقت سابق، أن نحدد المواد الذكية مثل تلك التي تحول الطاقة بين المجالات المادية المتعددة. المجال هو اى كميه فعليه يمكن وصفها من خلال مجموعة متغيرات. هناك تعريفات رياضيه أكثر وضوحا لحالة المتغيرات سيتم التعرف عليها في الفصل الثانى, لكن الان يمكن تحديد حالة زوج من المتغيرات من حيث الفكر على انها وسيله لتحديد حجم او موقع بدخل نجال مادى . على سبيل المثال فإن المجال المادى الذي سندرسه طويلا هو المجال الميكانيكى , حالة المتغيرات هى حالات الضغط العصبى والتوتر " حالات الإجهاد والانفعال " داخل تلك المواد . مثال آخر على المجال المادى هو المجال الكهربى, والذي تكون فيه المتغيرات هى عباره عن مجال كهربيه وإزاحه كهربيه للمواد.

التمثيل المرئى للازدواج بين المجالات الطبيعية

تعريف المجالات المادية وحالة المتغيرات المرتبطة بها يسمح لنا بأن نكون أكثر دقه في تعريفنا لمصطلح الازدواج . الازدواج يحدث عندما يتم التغير في حالة المُتَغَير في مجال مادى واحد ويؤدى التَغَيُر في حالة المُتَغَير إلى فصل مادى 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 الحرارى, ويمكن أن يؤدى لبى تغير في حالة الانفعال, والذي يكون تغير في الحالة الميكانيكه . هذ ا النوع من الازدواج يسمى ازدواج الميكانيكا الحرارية بسبب ازدواج يحدث بين المجالات الحرارية والميكانيكيه . تمثيل المفهوم المرئى للإزدواج بين كلا من المجالات الطبيعية يوضح في الشكل المقابل.

كل مستطيل في هذا الرسم يمثل مجال طبيعى واحد , إما ميكانيكى ,أو كهربى أو حرارى. البيانات المسجله في كل مستطيل تمثل حالة المتغيرات المرتبطة بكل نطاق . الخطوط المرسومة (الجسور) داخل كل مستطيل هى الخاصيه الطبيعية التي تربط بين حالة المتغيرات . الخصائص المرنه للماده ترتبط بحالة الإجهاد والانفعال في المادة , والخصائص العازله ترتبط بحالة المتغيرات الكهربية. الربط بين المجالات الطبيعية يمثل بواسطة الاسهم التي تربط المستطيلات مع بعضها . على سبيل المثال إنتاج الطاقة الكهربية بواسطة التحفيز الحرارى يطلق عليها ( تأثير كهرو حرارى ). وبالمثل فإن الاختلاف في الإجهاد والانفعال الميكانيكى بسبب وجود تحفيز حرارى يطلق عليه التمدد الحرارى.

المواد مختلفة الازدواج

في هذا المقال علينا ان نركز على المواد التي يظهر فيها نوع واحد فقط من نوعي الازدواج : الميكانيكا الكهربية أو الميكانيكا الحرارية.وتتميز المواد الكهروميكانيكيه من خلال قدرتها على تحويا الاشارات الكهربية إلى استجابه ميكانيكيه, وعلى النحو المتبادل تحويل الحافز الميكانيكى إلى اشارات كهربيه. حقيقة وجود علاقه متبادله بين الازوداج الميكانيكى والكهربى يدفعنا لتحديد هذه المواد بإعتبارها مظهر لإتجاهين مزدوجين. المواد الميكانيكية الحرارية التي يتم دراستها في هذا الكتاب هى مثال على تلك المواد التي تسلك ما نسميه ازدواج في اتجاه واحد. عند تسخين المواد الميكانيكية الحرارية فإن يحدث لها تشوه ميكانيكى , لكن على خلاف المواد الكهربية , فإنها لاتنتج ارتفاع في درجات الحرارة عندما يحدث لها تشوه ميكانيكى . سوف نركز على فهم خصائص الازدواج لثلاثة انواع من المواد الذكية . مواد كهروضغطيه, وهى أول مجموعه من المواد التي تم دراستها , تحويل الطاقة بين المجالات الميكانيكية والكهربيه . سبائك ذاكرة الشكل, وهى ثانى مجموعه من المواد التي تم دراستها وهى المواد التي يحدث لها تشوه عند تسخينها وتبريدها . الفئة الثالثة التي نقوم بدراستها هى مجموعه من الوليمرات الكهربية النشطه والتي تحمل ازدواج كهروميكانيكى . ويوضح الشكل المقابل بإيجاز العلاقة بين المجالات الكهربية والحراريه والميكانيكيه للمواد في هذا المقال.

روؤس المثلث الثلاثة تمثل المجالات الفيزيائيه والترابط في ما بينهم بالاسم وهى تم مواد دراستها في هذ الكتاب. . ونحن نقدم وسائل لدراسة الطبقات الثلاثة الواسعة للمواد المذكورة اعلاه . يتم دراسة الازدواج الكهروميكانيكى الذي يوجد بداخل المواد في المواد الكهروضغطيه. وهذا يتطلب منا دراسه لتحديد الخصائص الفيزيائيه الأساسية للمواد الكهروضغطيه والتمثيلات الرياضية للإزدواج الكهروميكانيكى في هذه المواد. كما تم دراسه سلوك الميكانيكا الحرارية لسبائك ذاكرة الشكل . كما هو الحال مع المواد الكهروضغطيه والتي تم مناقشة ما يتعلق بخواصها الفيزيائيه الأساسية وذلك في إطار النماذج الهندسة لهذه المواد. البوليمرات الكهربية النشطه هى الفئة الثالثة وهى فئه من المواد التي يظهر فيها الازدواج الكهروميكانيكى. هذه المواد تتشابه وظيفيا مع الاجهزه الكهروضغطيه ولكن بها عدد من الخصائص المثيره للإهتمام والتي تجعلها مفيده للتطبيقات في الاجهزه الكهروضغطيه الغير مناسبه.

لمحه تاريخيه عن المواد الكهروضغطيه , سبائك ذاكرة الشكل والبوليمرات الكهربية النشطه[عدل]

قصة المواد التي يشملها هذا المقال تبدأ في القرن التاسع عشر عندما اكتشف الاخوه كورى ان عدة مواد طبيعيه بما فيهم الكوارتز وملح روشيل, عرضوا خاصيه مثيره للإهتمام. أظهر كورى انه تم انتاج طاقه كهربيه عندما تم فرض عبئاً (حمل) على المواد الميكانيكية . اظهروا هذا الربط عن طريق قياس الشحنه الناجمه عبر اقطاب كهربيه تم وضعها على المواد عندما خضعت لتشكل معين . تدل على ان لها تأثير كهروضغطى . بعد عدة سنوات تبين ان المواد الكهروضغطيه اظهرت خواص متبادله, وهى انه قد استحث حدوث ضغطا ميكانيكيا عندما تم تطبيق اشاره كهربيه على المادة.

وكان الازدواج الكهروميكانيكى الذي تم اكتشافه من قبل كورى مثير للإهتمام ولكن للأسف ليس مفيد جدا, ويرجع ذلك إلى حقيقة ان كمية الإشارة الكهربية التي ينتجها التشوه الميكانيكى كانت صغيره جدا في العصر الحديث ,حيث سوف نطلق عليه توصيل ضعيف مقارنةً بما كان عليه من مواد اخرى. كانت جدوى هذه المادة الجديدة محدودح جدا لان اجهزة قياس الناتج الكهربى او الميكانيكى لم تكن موجوده في هذا الوقت . تزايد الاهتمام بالمواد الكهروضغطيه في اوائل القرن العشرين ويرجع ذلك إلى بداية الحرب العالمية الأولى وتطوير وسائل جديده للحرب. وكانت الغواصه هى السلاح الوحيد الذي اكتسب شهره خلال الحرب والتي كانت تستخدم على نحو فعال جدا ضد بريطانيا العظمى في محاوله لتدمير طرق التجارة التي زودتها , وقام رجل فرنسى بتطوير جهاز تحت الماء , واستخدم المحول الذي به الكرستاله الكهورضغطيه لإنتاج إشاره ميكانيكيه وقياس ردها الكهربائى كوسيله لتحديد الغواصات . وكان هذا العمل على اساس السونار واصبح واحد من التطبيقات الهندسية الاولى للتأثيرات الكهروضغطيه التي تم اكتشافها في اواخر القرت التاسع عشر .

حفزت الحرب العالمية الثانية أكثر تقدما حتى في المواد الكهروضغطيه وفى الاجهزه. بالإضافه إلى تحسينات في السونار , وبدأت التطورات في مجال الاكترونيات لتحفيز استخدام المواد الكهروضغطيه كما في المذبذبات الاكترونيه والفلاتر. الحاجة إلى مواد كهروضغطيه أفضل كانت هى الدافع وراء تطوير المواد الاصطناعيه التي اظهرت الخصائص الكهروضغطيه.

وكان تيتانات الباريوم قبل المواد الكهروضغطيه والتي كان لها خواص كهروضغطيه وحراريه مما جعلها تتفوق على بللورات الكوارتز. التقدم في مجال المواد الكهروضغطيه الاصطناعيه ادى إلى استخدامها في المرشحات الخزفيه للإتصالات والإذاعه , فضلا عن التطبيقات الاخرى , مثل خراطيش الفوتوجراف في تسجيل اللاعبين.

في نفس الوقت فانه يتم اجراء تطورات لاحراز تقدم في الاجهزه الكهرضغطيه , ويجرى تنفيذ البحوث الأساسية على سبائك ذاكرة الشكل والبوليمرات الكهربية النشطه. التطوير الاولى للمواد التي اظهرت حدث هام هى ذاكرة الشكل وكان بشكل قوى في عام 1965 في مختبر المعدات الحربية البحرية في الولايات المتحدة الإمريكية. مجموعه من الباحثين اثبتوا ان سبيكه من النيكل والتيتانيوم قد اظهرت خصائص هامه لذاكرة الشكل عند تسخينها , وهذه السبيكه اصبح اسمها النيتينول (مختبر ذخائر النيكل والتيتانيوم البحرى ) , واصبحت سبائك ذاكرة الشكل واحده من أهم المتغيرات الأكثر فائده , وبرجع ذلك لخصائصها الميكانيكية وقدرتها العالية على استرداد الانفعال بنسبه كبيره. في نفس الوقت تقريبا اظهر (كوهن كاتشالسكاى) ان المواد البولمريه سوف تظهر تغييرا في الحجم عند وضعها في محلول مختلف في قيم درجة الحموضه . وكان هذا العمل بارز للمواد البوليمريه الكهربية النشطه , لانها اثبتت ان التحفيز الكيميائى يمكن ان يحفز الضغط الميكانيكى في مادة البوليمر. واعقب هذا العمل الذي حدث في اواخر 1940 وفى اوائل 1950 , من خلال العمل في ما يقرب العشرين عاما من قِبَل (جرود زينسكاى ) في استخدام الياف الكولاجين , البوليمر الذي يحدث بشكل طبيعى , اجهزة الاستشعار والمحركات الميكانيكية والكهربيه . استمر العمل على تطوير المواد الكهروضغطيه في تحسين موازٍ مع التطورات البارزه في مواد ذاكرة الشكل والبوليمرات الكهربية النشطه . ادى اكتشاف تيتانات الباريوم لدراسة تراكيب المواد الآخرى . ادى هذا العمل إلى تطوير الرصاص ( تيتانات – زركونات ) (PTZ ) في الخمسينات والسيتينات .اظهرت (تيتانات – زركونات ) خصائص كهروضغطيه متفوقه على (تيتانات الباريوم ) , واتزال أكثر المواد الكهروضغطيه المستخدمة على نطاق واسع.

احدث التطبيقات للمواد الذكية وانظمة المواد الذكية[عدل]

في اواخر سنة 1970 .حدثت التطورات الاساسية في مجال صنع المواد الكهروضغطية والبوليمرات الكهربية واشكال الذاكرة في اخر 20-25 سنة لوحظ ان هناك عدد كبير من الانظمة الهندسة تستفيد من تلك الأنواع الثلاثة من المواد الذكية والمواد الكهروضغطية هى الأكثر انتشارا في التطبيقات العامة في حساسات الحركة والقوة.

بلورات المواد الكهروضغطية هى العنصر المحول لحساسات الضغط الديناميكى وخلايا التحميل ومزايا هذه التطبيقات ارتفاع الصلادة الميكانيكية وانخفاض الكتلة الامر الذي يؤدي إلى سرعة رد فعل في عملية الاستشعار عن بعد .المواد الكهروضغطية أيضا تستخدم في اجهزة الوزن الدقيقة والمعروفة باسم نظم الميكانيكا الكهربية الدقيقة باعتبارها هى العنصر المحول في عناصر الاستشعار عن بعد وأيضا هى العنصر الفعال ف المضخات الصغيرة .هناك أيضا تطبيق شائع للمواد الكهروضغطية في الكابولى للمجاهر الذرية القوية والتي احدثت ثورة ف المجهر نظرا لقدرتها على الصور .وتعالج ببراعة ملامح (النانو سيكل).هناك عنصر مبدئى ف انظمة المجاهر هو عبارة عن كابولى ف المواد الكهروضغطية التي تهتز عند تردد عال جدا بناء على امر من مئات من الكيلو هرتز .وهذا الغرض لقياس تضاريس السطح او لدراسة قوة التفاعل بين الناتئ والسطح المراد قياس التضاريس عليه .والدقة العالية للانظمة المجهرية تعود إلى ارتفاع وتيرة التذبذب في ناتئ والتي أيضا تؤول إلى خواص المواد الكهروضغطية .

المواتير اللولبية

المواد الكهروضغطية تحدد أيضا بدقة المواقع في المراحل المجهرية لهذة المواد أيضا لها القدرة لفحص العينات بدقة (النانومتر).هناك خصائص تشغيل للاجهزة الكهروضغطية وأيضا تذهب تلك الخصائص في المواتير الكهربية أكثر من تلك المواتير الكهروضغطية دراسة المعروف بالمواتير اللولبية. المواتير ترجع الان إلى مبدا المواتير اللولبية اصبحت متاحة عند سرعات واحمال مختلفة ومرة اخرى نوضح قدرة المواد الكهروضغطية في التذبذب عند الترددات العالية وهذه الخاصية تستخدم قى المواتير اللولبية . مؤخرا استخدمت المواد الكهروضغطية في مواتير المضخات الهيدروليكية للتحكم في كمية الضغط وعملية الاهتزاز للمواد الكهروضغطية عند الترددات العالية هي الامر الاساسي . و اسنخدمت الاجهزة المعروفة باسم استشعار سطح الموجة الصوتية (الاستشعار عن بعد) اصبحت طريقة لقياس التغيرات الصغيرة في الكتلة والسطح المعيدة أيضا في الكشف عن العوامل الكيميائية والبيلوجية .

منصة عزل الاهتزازات

نظم انتاج المواد الكهروضغطية تم تطويرها ف مجالات عدة للحد من الاهتزازت والضوضاء .توصلت الأبحاث في مجال المواد الكهروضغطية للسيطرة على اهتزاز ذيل الطائرات المقاتلة لديها.وكذلك مراقبة الاهتزاز على المنصات الفضائية عالية الدقة . وكما يتضح من الصورة منصة عزل الاهتزازت هى أحد التطبيقات المقصورة على فئة معينة في منع الضوضاء والاهتزازية .تم استخدام المواد الكهروضغطية للسيطرة على انتقال الضوضاء خلال الواح صوتية ,التطبيقات في الحد من الاهتزاز والضوضاء جانب من تطوير شرائح المواد الكهروضغطية.

استخدمت السبائك كمحركات لمنع الاهتزاز وصممت تلك السبائك لتناسب التطبيقات التي تطلب كميات كبيرة في التشكل مثل سبائك اشكال الذاكرة تتيح لانفعالات أكبر من الانفعلات التي تنتجها الاجهزة الكهروضغطية . عيوب سبائك اشكال الذاكرةان قدرتها على اخماد الاهتزازات عند التردادت العالية محدودة وأيضا بطيئة الاستجابة وأيضا مواد اشكال الذاكرة تستخدم بشكل سلبى بالنسبة للاجزاء المشاركة في الاهتزاز .تستخدم بشكل صغير سبائك اشكال الذاكرة في الاجهزة الالية كصورة لمدى كبير في الحركات والسكون. ومن أكثر الاستخدامات الشائعة لسبائك اشكال الذاكرة ترجع إلى الإجهاد والانفعال وفى المستقبل نقدم مفهوم عن (pseudoelasticity)والذي يوضح علاقة غير خطية بين الإجهاد والانفعال في سبائك اشكال الذاكرة والتي تستخدم في النظارات . وميزة سبائك اشكال الذاكرة في تلك التطبيقات انها لها قدرة كبيرة على التشكل دون المعاناة من التشكل اللدن توافق مع الحياة تتيح استخدام سبائك الذاكرة في التطبيقات الطبية كالدعامات والذي تتكون من سبائك اسطوانية يتناغم ان يوسع عند وضعها في شريان او وريد فتح الاوعية الدموية واستعادة تدفق الدم .

تطبيقات بوليمرات ذات نشاط كهربى

الاحتياج إلى تشكل كبير في المحركات ادى إلى استخدام بوليمرات ذات نشاط كهربى للتطبيقات في التحكم الحركى .المواد السيراميكية ذات النشاط الكهربى تكون مواد خفيفة والتي تنتج مدى واسع من التشكلات التي تستخدم في الوضع الكهربى .اغلب التطبيقات في البوليمرات الكهربية اصبحت محدودة بسبب قلة الداعمين .ومؤخرا شركة وحيدة انتجت وباعت تلك البوليمرات الكهربية وهناك شركات اضافية باعت أيضا تلك البوليمرات .تسمى تلك البوليمرات بالعضلات الصناعية .وتصمم لكى تدخل ف التطبيقات التي تطلب مدى واسع من الحركةولكن تحتاج إلى قوة اصغر من تلك القوة المستخدمة من السيراميك والمعادن.

التطور الحادث في مجال الحساسات والمتحكمين للمواد الذكية مكن من استخدامها في الانظمة الهندسية الواسعة .بذل مجهودا واسعا سنة 1990 لتطوير انواع جديدة للتحكم في الاسطح لتثبيت اجنحة الطائرة وتعد من أهم المجهودات الناجحة لاستخدام خاصية من خواص المواد الذكية الكثيرة للحد من الاهتزازت والتحكم في الحركة. وتستخدم المواد الكهروضغطية وسبائك الذاكرة كعناصر فاعلة في تشكيل اسطح الطائرات . سباءك الذاكرة نستطيع ان نستفيد منها في الاجزاء الأكثر انحنائا وتقل تحكم في الترددات .في حين تم استخدام محركات كهروضغطية بالموجات فوق الصوتية والسيطرة على مرونة الاسطح على الحافة من الجناح .استخدام المواد الكهروضغطيه درست بشكل عميق في استخدامها للتحكم على الاجزاء الدورانية في الطائرة كما في شكل 1.15 .وأيضا المواد الكهروضغطية وسبائك الزاكرة استخدمت تحريف شفرة الدوار من خلال السيطرة على اللوحات لديها. واحد من اغراض هذا البحث هو توضيح المفهوم النظرى لاستخدامات المواد الذكية في مختلف المجالات الهندسية .بعض المواد قادرة على انتاج قوة كبيرة ولكن تؤدى إلى حركة بسيطة والبعض الاخر قادر على انتاج تشكل كبير عند التاثير علية بقوة صغيرة .بعض المواد تستجيب بسرعة عالية والبعض الاخر تتاخر استجابتة ونحن نستعرض تلك الاختلافات .

انواع اضافية من المواد الذكية[عدل]

هؤلاء الذين يعملون في مجال المعادن الذكية سيلاحظون ان ما تم ذكرة في هذا البحث من انواع المواد هو مجرد جزء بسيط من المواد التي تم تصنيفها مواد زكية او نشطة .فمثلا نحن لا ندرى نوع المواد التي تم استخدامها لتطبيقات المواد الذكية كما هو الحال لعدد لا نهائى من تطبيقات انظمة الاتصال. هذة المواد المعروفة باسم الألياف البصرية اخذت مكانة بين المواد الذكية لاستخدامها في اجهزة استشعار الحركة مثل المراقبة الصحية والهيكلية بالاضافة لخصائصها الحساسة استخدمت الألياف البصرية لتحل محل كابلات النحاس في شبكات الاتصالات.

مجموعة اخرى من المواد التي لا تلقى اى اهتمام في هذا البحث هى المواد التي تعطى مجال مغناطيسى عند الحركة .هذة المواد المعروفة باسم المواد الحساسة للمجال المغناطيسى تمثل نوع مهم من انواع المواد الذكية .هى مواد مهمة لتطبيقات التحكم في الحركة وتستخدم كعناصر في انظمة الحث للضر الغير تدميرى . مجموعة اخرى التي لها خصائص بصرية هى المواد الكهرولونية المستخدمة في اجهزة العرض والانظمة التي بها تحكم في تغير الألوان . والسبب في عدم ذكر كل هذة المواد هو الاتفاق على تقليل مجال المناقشة حتى بتسنى لنا ان نستعرض انواع الثلاثة باستفاضة واسعة وتوجد ابحاث ممتازة تناقش الخواص الاساسية لمجال واسع من المواد اختصار لكى تتاح الفرصة للباحثين لعمل ابحاث على أحد انواع المواد بتعمق كبير. ولذلك نحن نتخلى عن معالجة المواد الحساسة للمجال المغناطيسى باننا قد اعطينا مناقشة عميقة في معالجة المواد الكهروضغطية ومناقشة عامة عن البوليمرات الناشطة كهربيا. وتحديد مجال المعالجة يتيح لنا ان نقدم مواضيع ذات اطار ويستند ذلك على الخصائص التاسيسية والحرارية كمثال على ذلك سنرى في البحوث المقبلة ان نتمكن من مناقشة المواد الكهروضغطية وانظمتها في اطار مشترك من الخضائص التاسيسية القائمة على القواعد الاساسية للديناميكا الحرارية . وهذا بتيح لنا ان نربط هذة المبادء الاساسية لنموذج سبائك الذاكرة وبالتالى يمكن المقارنة المباشرة بين خصائص هذة المواد .ميزة اخرى لتحديد المجال للانظمة التي تقترن بخصائص ميكانيكة وكهربية وحرارية هو اننا يمكننا استعراض منهج تربوى للمادة.

خصائص المواد الذكية[عدل]

خصائص المواد الذكية بالمقارنه مع المواد التقليدية:

اثنين من الخصائص التي تستخدم عاده لمقارنه المواد الهندسية هي الكثافة ومعامل المرونه . كثافه المادة هي طبيعه الكتلة إلى وحده التخزين ؛ وفي وحدات (SI)يتم تعريفه من حيث (kg/m3 ). معامل المرونه من خاصيه المواد التي تتعلق بالاحمال المطبقه على المواد الصلبه إلى ناتج التشوه ويوجد تعريفات دقيقة لمعامل المرونه ولكن الان ليس من المهم سوى ان نلاحظ انه من تطبيقات التحميل . والمواد التي تحتوي على معامل المرونه عالي سوف تخضع إلى اقل تشوه من المواد التي تحتوي على معامل مرونه قليل ؛ وبالتالي فان المواد ذات معامل مرونه أعلى تكون أكثر صلابه من المواد (اللينه) التي لديها معامل مرونه منخفض. الكون متكون من مواد تغطي مجموعه واسعه من الكثافة وقيم المعامل .والكثافه من جميع المواد تختلف عموما خلال ما يقرب من ثلاث درجات . القيم المنخفضه للمواد ما يقرب من ( 0.01 kg/m3 )للرغاوى والقيم العالية يمكن ان تصل إلى (20 kg/m3)لبغض المعادن والسيراميك .وفي المقابل؛ فان الاختلاف في معامل المرونه للمواد يمتد حوالى سبعه اضعاف من الحجم؛ من حوالى 1 كيلو باسكال للرغاوي لللمواد اللينه والمواد المرنه إلى ما يقرب من ( 1000 Gpa)لبغض الخزفيات . المواد الذكية التي تمت مناقشتها في هذاالمقال تقع عاده في منتصف نطاق من الكثافة ومعامل القيم .

مقارنة بين بعض خواص مواد المحركات

كهرضغطيه المواد وسبائك ذاكره الشكل لديها قيم معامل البناء من (10 إلى 100 GPa) ذات الكثافة الذي هو عاده في نطاق ( 7000 إلى 8000 kg/m3). كهرضغطيه البوليمرات أكثر نعومه من المواد التي معامل المرونه هى على الترتيب من (1الى 3 GPa) مع كثافه (1000 إلى 2000 kg/m3)تقريبا . (Electroactive polymers)عاده ما تكون هذه المواد أنعم واقل كثافه. وهى لها معاملات الرجوعيه التي تغطي مجموعه واسعه المدى من ما يقرب من1 ميغا باسكال أكبر من 500 ميغا باسكال وكثافه القيم التي تتراوح من (1000 ال 3000 kg/m3). ويورد موجز لهذه القيم في الشكل المقابل.

التصميم الهندسي غالبا ما يتطلب المواد التي تحتوي على معاملات عاليه وتكون خفيفه الوزن .المواد عاليه المعاملات وخفيفه الوزن تكمن في الجزء العلوي الأيسر من الشكل السابق ؛ وخاصة المواد التي تتعلق بمعاملات والكثافه وهى سرعه الموجه . التي تعرف بانه جذر التربيعي لمعامل طبيعه الكثافة والخطوط المتقطعه في الشكل السابق .وتمثل الخطوط المستمره موجة السرعة .وارتفاع 1 كيلومتر لكل ثانية.وسرعه الموجه تتصل أيضا بخصائص ديناميكية المواد منذ وسائط الاهتزاز الأساسية للبنيه هي متناسبه مع مواد سرعه الموجه .من الشكل السابق نلاحظ ان موجه السرعة تمتد عموما القيم من 10 م/ث إلى أكثر من 1 كم/ث .

التطبيقات التي تمت مناقشتها في هذا المقال تسلط الضوء على استخدام المواد الذكية كما المحركات والمشغلات . لهذا السبب نسبه كبيره من هذا المفل تتناول تحليل وتصميم النظم التي تتضمن محركات المواد الذكية للتطبيقات مثل التحكم في الحركة والتخميد وتمنع الاهتزاز ومحرك المواد وكثيرا ما تقارن من حيث القوة والحركه التي يمكن ان تولد تحت تطبيقاتها الحافزه . والمتريه اخرى مهمه لمواد المشغله هى السرعة مع التي تستجيب لتحفيز القيادة .

القوة والتشريد امثله على الخصائص الخارجية (أي تلك التي هي وظيفه لهندسه المواد او الجهاز ). كما سنرى ؛ غالبا ما يكون من المفيد مقارنه المواد من قبل بعض الخصائص الجوهريه : أي الخصائص التي لا تعتمد على الهندسة وخصائص المواد الجوهريه التي تعتبر مهمه لاجراء مقارنات المحرك هي الإجهاد والانفعال التي يتم انتاجها من جانب تحفيز تطبيقها . ويعرف الإجهاد بوصفها بالقوه المطبقه في وحده المساحة ( لاحظ ان خاصيه خارجيه تطبيع إلى الهندسة ) ؛ وينم تعريف سلاله كتغير في بعض أكثر من الحجم الأصلى من البعض .

انواع المواد الثلاثة التي علينا ان نركز على كهرضغطيه المواد وشكل الذاكرة والسبائك والحركه الإلكترونية للبوليمرات وتمثل ثلاثه أنواع من المواد التي لديها مجموعه من الخصائص يشتغل بشكل عام والمواد الكهرضغطيه من فئه من المواد التي تنتج سلالات صغيره ؛ وعاده سوي جزء واحد في الالف. سلالات من هذا الحجم وتحدد عاده كنسبه مئويه وبالتالي ؛سلالات من اجزاء في 1000 سيكون على النحو المحدد 0.001 او 0.1 % سبائك ذاكره الشكل هى المواد التي تنتج سلالات كبيرة وعاده بناء على امر من 4 إلى 8 % وهناك عده فئات من الحركة الإلكترونية للبوليمرات والضغوط التي تنتجها مختلف التطبيقات من هذه المواد تتراوح من 1% لتصل إلى أكبر من 100 % تبعا لنوع المواد .

الانفعالات التي تنتجها هذه الفئات الثلاث من مواد يمتد أيضامجموعه واسعه . يمكن السيراميك كهرضغطيه من الصعب انتاج الإجهاد يشتغل بناء على أمر من عشرات ميجاباسكال سيكون لتصور قوه (1N ) تطبيقها على مساحه مع ابعاد (1mm x1mm) هذا من شأنه أن يكون معادلات (1MPa) من الإجهاد . وبالتالى ؛يمكن ان تنتج كهرضغطيه السيراميك عشرات النيوتنات من القوة على مساحه (1mm2). وههناك طبقه من كهرضغطيه المواد التي عاده ما تكون أخف بكثير من كهرضغطيه السيراميك .

كهربي اجهادي مواد البوليمر تنتج سوى 1/10 إلى 1/100 من الضغط التي تنتجها كهرضغطيه السيراميك سبائك ذاكره الشكل ؛و من ناحيه اخرى ؛ تنتج الإجهاد في نفس النطاق كما ان من السيراميك كهرضغطيه (عشرات من ميجاباسكال )من حين تنتج الضغوط على الترتيب من 4 ال 8 %. الحركة الإلكترونية هي مواد البوليمر عاده ما تكون مواد لينه ؛ ولكنها يمكن ان تنتج أيضا الانفعال في نطاق 1-10 ميغابسكال وذلك بسبب الإجهاد على كبير القدرة.

وللمقارنه العامة للمواد كهرضغطيه وسبائك ذاكره الشكل والحركه الإلكترونية ويظهر في البوليمرات 1.11b الشكل باعتبار مؤامره من الانفعال القصوى المنتجة بواسطه هذه المادة على المحور الرأسي مقابل سلاله أقصى أنتاجها على المحور الافقي. السيراميك كهرضغطيه تحتل عموما الجزء العلوي الأيسر من رسم بياني الأنها تنتج سلاله الصغيرة واجهاد كبير .من حيث الحركة الإلكترونية مواد البوليمر تحتل عموما الجزء السفلى الأيمن من الرسم البياني الأنها مواد كبيره الإجهاد سلاله الصغيرة سبائك ذاكره الشكل هى المواد التي دفع ابعد إلى الجزء العلوى الأيمن من الرسم البياني .

ويرجع ذلك إلى حقيقه أنها يمكن ان تنتج اجهاد كبير وانفعال كبير. في بعض التطبيقات ؛ والمعلومات الأكثر اهميه للمواد هى الامتلاك القدرة على انتاج الإجهاد والانفعال في هذه التطبيقات فاننا نرى ان المواد التي تقع في الجزء العلوى الأيمن من الرسم البياني ستكون أكثر رغبه فيها . فهم لخصائص الإجهاد والانفعال من مواد مختلفه لنا لتعريف المعلمه ذات الصله التي يشغل أيضا منصب وسيله جيده لمقارنه المحرك المواد . ويعرف هذا المنتج من الإجهاد والانفعال التي تنتجها ماده النحو كثافه الطاقة الحجمي . وتعرف الطاقة والقدره على القيام بالعمل في وحده الحجم وبالتالى ؛ وسوف ماده ذات كثافه أعلى من الطاقة لديها أكبر قدره للقيام بعمل في وحده حجم . يمكن ان كثافه الطاقة من ماده يمكن تصور رسم خط مستقيم من أعلى اليسار إلى اسفل اليمين من هذه المؤامره . كل سطر ويمثل خط من كثافه الطاقة ثابته . مره أخرى والمواد في الجزء العلوي الأيمن جزء من مؤامره هي المواد التي لديها أعلى كثافه الطاقة وبالتالي يكون أكبر العمل قدره لكل وحده حجم.

تطبيقات التحكم في الحركة[عدل]

أحد الاستخدامات الأكثر شيوعا من المواد الذكية في مجال التحكم في الحركة تطبيقات التحكم في الحركة موجودة في كل مكان في المجتمع الحديث ومنها: التحكم في اسطح

  1. الطائرات
  2. رؤس الطابعة في الطابعات النافثة للحبر
  3. الاجزاء متناهية الدقة في اشباه الموصلات
  4. رقائق لتصنيع الالكترونيات الدقيقة

فكل هذا يعتبر أمثلة هندسية مهمة في التطبيقات التي تتطلب تحديد المواقع والتحكم فيها .

التطبيق النموذجى في التحكم في الحركة[عدل]

يتطلب المحرك قوة وجهاز استشعار لقياس الموقع والسرعة، أو تسارع للكائن وذلل لدعم الحركة وذلك أيضا عند بداية الحركة وتم نقل حيث انه عند بدايه الحركة تبدأ عملية التحم في الحركة بطريقة تقليدية قد تكون عبارة عن ادراج كهربية او التحكم بطريقة هيدروليكة او عن طريق التحم بطرق هوائية وفى الحقيقة يرجع ذللك إلى انها بسهولة متاحة لعدد من الباعة والقوة والحركة وذلك لاستيعاب مجموعة واسعة من التطبيقات حيث ان عناصر الاستشعار تشمل العناصر الكهربية والمغناطيسية التي تقيس الكميات الفزيائية ذات الصلة. على سبيل المثال، LVDT هو جهاز الكهرومغناطيسية التي يمكن إخراج الجهد النسبي للإزاحة او السرعة لتحديد المواقع يتم تحقيق ذللك عن طريق عملية التحكم في فتح حلقة او حلقة مغلقة ونتيجة لوجود ردود الأفعال يمكننا الاستفادة من وجود نظام مراقبة لزيادة دقة تحديد الموقع أو للحد من الاثار غير المرغوب فيها مثل deadband وstiction في النظام. المواد الذكية مثل اجهزة البيزواليكتريك (piezoelectric) وسبائك ذاكرة الشكل (shape memory alloys) او المواد التي لها تأثير كهربى حيث ان يمكن للبوليمرات ما توفر كثيرا من مزايا التطبيقات التحكم في الحركة مقارنة بالمزيد من التقنيات التقليدية.العديد من تطبيقات التحكم في الحركة تتطلب القيادة العليا وعرض النطاق الترددي، وهذا يعني أن النظام يجب أن يستجيب بسرعة للتغيرات في المدخلات

المواد الذكية مثل(piezoelectric) أو electrostrictive)) تستطيع هذه المواد الاستجابة للأوامر في مللى ثانية او احيانا في ميكرو ثانية مما يجعلها مفيدة في بعض التطبيقات العديد من تطبيقات التحكم في الحركة أيضا تتطلب دقة نانوميتر او الميكروميتر في تحديد الموضع والتي غالبا ما تكون صعبةعندما نريد تطبيقها مع النظم الهيدروليكية التقليدية او النظم التي نستخدم فيها تكنولوجيا الهواء المضغوط. مواد الحالة الصلبة السيراميك مثل (piezoelectric and electrostrictives)ويمكن تصميم معدقة تحديد المواقع أخيرا، بعض التطبيقات تتطلب حركة كبيرة في في الفراغات المدمجة وفي هذه الحالة سبائك ذاكرةالشكل أوالبوليمرات و(electroactive)يكون من المفيد استخدامها ،نظرالقدرتهاعلى إنتاج سلالة كبيرةعلى الحاثةالكهربائيةأوالحرارية.

الفائدة الميكانيكية للكهرو أجهادية (piezoelectric) في المحركات[عدل]

وقد استخدمت بعض المعادلات التأسيسية لاشتقاق تعابير محول لمجموعة كهرضغطية (piezoelectric) للمحركات ثنائية الاوجه لتحليل الضوء حقيقة تقتصر هذه الطريقة في عملها على كميه خروج حزمة (piezoelectric) من المعدن حيث تكون مجبرة بالامر من submicrometers لعشرات من ميكرومتر ..في حين أنه يمكن لل(piezoelectric) المحركات الثنائيةالاوجه توليدالازاحةالناتجة بناء على أمر من مئات ميكرومتر إلى 1 ملليمتر تقريبا.حيث انا الاساس في مفاضلة زيادة الازاحة الناتجة باستخدام المحركات الثنائية يكون تخفيض كبير في قوة الإنتاج لمقارنة باستخدام (piezoelectric) في هذه العملية ويوجد الكثير من المعادلات التفاضلية التي تشرح هذا الموضوع بتفاصيله حيث اننا اذا لم نستخدم تقنيه (piezoelectric) سوف نستهلك جزء كبير من قدرة المحرك في سبيل ذلك حيث ان الانحراف الحر يتناسب مع عدد الطبقات والقوى المحجوبة تتناسب مع مساحة المقطع العرضى وبالنسبةلل(piezoelectric) الثنائية والانحرافات الحرة تتناسب مع مربع الطول إلى نسبة السمك والقوة المانعة الثنائية تتناسب مع عرض المحرك ولن يتناسب عكسى مع نسبة الطول إلى السماكة وهذه العلاقات تلخص المبادىء الاساسية لتصميم الحزم الثنائية.

ويمكن شراء أجهزة كهرضغطية(piezoelectric) من عدد من البائعين في مجموعة متنوعة من النماذج القياسية وتفصيلها.حيث انه في الكثير من الحالات يمتلك البائع مجموعات قياسية الاجهزة المصنعة والمعتمدة في تصنيعها على (piezoelectric)وهذه الاشكال تتألف من عدد قليل حالة المحركات مكدس، وهذه المنتجات القياسية تتكون عموما من شريحة قليلة الأشكال (على سبيل المثال، مربع، دائري، أو الحلقي) التي يتم تصنيعها مع تفاوت أرقام من طبقات (piezoelectric)الثنائيةوعادة ما تكون ذات الجهد المنخفض (100-200 V)

bimorph bender

اما في الجهد العالى (~1000v) يتوقف هذا على سمك طبقات الحزمة الفردية ويظهر ذللك في الشكل المقابل (Piezoelectric ceramic bimorphs) يتوفر فيها أيضا الكثير من التكوينات القياسية وعلى الرغم من ذللك فان تهدف بعض الاجهزة لتكون ثنائية الوجه ويكمن أيضا ان تستخدم تللك الاجهزة ببساطة بدعم وترتيب في التصميم السليم واحيانا يمتلك البائع سلسلة من االاجهزة التي تحتوى على عدد أكبر من القوة ومسارات الانحراف وذللك موضح في الشكل المقابل.

بالاضافة إلى ذللك هناك مواتير الثنائية لل(piezoelectric) تباع اما في ترتيب متوازى او متوالى حيث ان هناك دراسات كثيرة لحالة التوازى وتعتمد هذه الدراسات على مجموعة من المعادلات التي تربط النظم المختلفة في محركات (piezoelectric) مع بعضها. اما في حالة التوالى تعتمد على طبقتين من (piezoelectric) المتصلة مع بعضها وتكون عكس بعضها البعض في الاستقطاب وهذه الطبقات تكون متصلة كهريبا مع بعضها لذلك يكون أحد اوجه (piezoelectric) هو الارض ويتم تطبيق القدرة على الوجه المعاكس او الطبقة الاخرى حيث ان تغيير الأسلاك من سلسلة توصيل توازي لسلسة توصيل توالى لا يغير من الاداء الاساسى لل (piezoelectric bender) بل يغير فقط من كمية الجهد المطلوب لانتاج كمية من الانحرافات محددة او اخراج قوة حيث انه في سلسلة التوالى نحتاج إلى جهد يكون ضعف الجهد المطلوب في سلسلة التوازى والتيار المطلوب يكون نصف ذللك في حالة سلسلة التوازى بالاضافة إلى ذللك فان سعة المحول التوالى يساوى ربع السعة الناتجة من محول التوازى وذلل لنفس الشكل والتركيب الهندسى.

Force–deflection specifications for piezoelectric stacks and benders

لكل من محور التوالى والتوازى حيث ان النموذج قوة الممانعة ومواصفات الانحراف الحر وحزم (piezoelectric )مع بعضها كل ذلك يظهر في الشكل المقابل. حيث ان هذا التخطيط يوضح هذه الحزم وطرق انحرافها حيث انها عموما تم تقيسمها إلى منطقتين حيث انه في التصميم لللفراغ الذي يتحرك فيه القوة حيث تتم عملية الانحراف ..حيث ان هذه المحركات تقع اسفل اليمين وجزء من مساحة التصميم في قوة الذي هو بين 0.01 وN 1 وازاحة حرة بين 50 ميكرو متر وما يقارب 3 مللى متر .

خلال العشرة او الخمسة عشر اعوام الماضية جرت ابحاث وتطورات جوهرية حول المحركات الكهرضغطية. كما يتبين من الاسم ان المحركات الكهرضغطية تستفيد من الترابط الميكانيكى بين المواد الكهرضغطية والحمل لعكس خواص انحراف القوة للمواد النقية. وبالنسبة للمواد الكهرضغطية فيسبب هذا زيادة في الازاحه الناتجة يقابلها نقصان في القوة الناتجة.على هذا النحو يمكن تصنيع جميع الاجهزة التي تتجاوز طائفه واسعه من خصائص انحراف القوة أكثر من المعروضه في الشكل السابق.

فكرة عمل الرافعه في الاجهزة الكهرضغطية

و لزيادة الازاحه الناتجة للأجهزة الكهرضغطية يوجد مفهوم واحد وهو استخدام رافعه ميكانيكيه بين المحرك والحمل.افترض رافعه ميكانيكيه جاسئة كالمعروضه في شكل المقابل مع نسبة تكبير l2\l1 .الازاحة المدخلة u ينتج عنها على الجانب الاخر من الرافعه ازاحه هى حاصل ضرب نسبة التكبير والازاحه المدخلة. ولأن الشغل المبذول على جانبى الرافعه يجب ان يكون متساويا لذلك فإن الزيادة في الانحراف ترافقها نقصان في القوة الخارجه بنسبة هى عكس نسبة التكبير.

محرك رافعة كهرضغطية متاح تجاريا

الشكل المقابل مثال على محرك رافعة كهرضغطية متاح تجاريا . الرافعه الميكانيكية ليست حتى قريبة من بساطة المثال التوضيحى المعروض في شكل 8.3.الجهاز المعروض في شكل 8.3 ب ينتج تقريب 100 ميكرومتر من الازاحه مما يشير إلى ان نسبة التكبير حوالى 1\10. يجب تصميم الرافعه لتنتج نسبة التكبير المطلوبة بالاضافة إلى الصلابة الضرورية لتحمل الإجهادات الداخلية التي تتولد من انحناء الرافعه الناتج عن ازاحة المحرك.

نوع اخر من المحركات الكهرضغطية يسمى محرك الشد الانحنائي يستخدم محراب مصمم خصيصا لزيادة الانحراف الخارجى الناتج عن استطالة الشبكة الكهرضغطية. السمة الرئيسية لمحركات الشد الانحنائى هى أن استطالة الشبكة تنتج انحناء في المحراب والذي ينتج بالتبعية تكبير خطى للازاحة الناتجة على الجهاز. التصميم المناسب للمحراب يؤدى إلى القدرة على التحكم في نسبة التكبير كما في نسبة التكبير في الرافعة الميكانيكية.

فكرة عمل اجهزة الشد الانحنائى اقترحها في الاصل رويستر في بدايات عام 1970. وتجدد الاهتمام بهذا المجال في نهايات عامى 1980 و1990. وآخر تجسيدان لفكرة العمل هما محرك موني ومحرك كيمبال. فكرة العمل الاساسية لمرحكى مونى وكيمبال هى الاستفادة من تمدد المحرك الكهرضغطى (عادة ما تكون شبكة ولكن يمكن ان تكون اسطوانة ) لانحناء المحراب. الاختلاف الرئيسى بين التصميمات هو شكل المحراب. يمكن تصميم المحراب لتحسين الانحرافات والقوى التوليديه للمحرك.القيم النموذجية للازاحة الحرة والقوة في تصميم كيمبال هى 160 ميكرومتر و15 نيوتن على الترتيب. تصميمات محراب متطورة اخرى استخدمت لتخليق فئة من محرك الشد الانحنائى التي لها مدى عريض من مواصفات القوى والازاحات الحرة . سلسلة من المحركات متاحة عند الباعة مثل المواد والمنشآت الديناميكيه تستفيد من محراب يدمج نقاط الانحناء لتخيط الانحرافات الناتجة والقوى للجهاز. هذا المفهوم يمكن مدى عريض من المحركات خواص محددة للقوى والازاحات.

المحركات في هذه الفئة من الاجهزة التي لها انحرافات حرة بين تقريبا 150 ميكرومتر وأكثر من 2 مللى متر ومواصفات للقوى بين العشرات والمئات من النيوتن . اغلب محركات الرافعه التي نوقشت في هذه النقطة تكبر عند نسق العمليات 33 للمحول.و الجدير بالذكر ان العملية عند نسق 33 أفضل مقارنة بنسق 31 ويرجع هذا لارتفاع كثافة الطاقة الحجمية للمحركات الشكية مقارنة بمحركات بندر. الحسابات التمثيلية في هذا الجزء تبين ان كثافة الطاقة الحجمية للشبكات متعددة الطبقات ما يقارب 8 او 10 اضعاف مقارنة ببيمورف بندر. على الرغم من ان كثافة الطاقة اقل في بيمورف بندر تظل مفيدة لتطبيق تقنيات الرفع الميكانيكية لمحركات الانحناء بغرض زيادة ازاحتهم الناتجة لقيم أكبر حتى من الكابولى النموذجى لبيمورف.

تم تطوير فئة ضخمه من محركات يونيمورف والتي تستفيد من تمدد المواد الكهرضغطية في نسق 31 لتحرك الركيزة التي لها تكوين هندسى مصمم ليكبر الانحراف الناتج في اتجاه عمودى على الطبقة الكهرضغطية.و كما يتضح من الاسم يونيمورف هذه المحركات في الاصل تستخدم فقط في طبقة كهرضغطية منفردة موازية للمحور المحايد للمحرك والركيزة المركب لينتج الاستجابة. فئة واحده من محركات يونيمورف تستخدم مقاطع الإجهاد المنحنية لتكبير استجابة الازاحة. هذه المحركات صنعت بربط المحركات الكهرضغطية بركيزة معدنية عند درجة حرارة مرتفعه. عند التبريد معاملات التمدد الحرارى المختلفة للطبقات الفعالة والطبقات الغير فعالة ينتج عنها شكل منحنى في كل من الركيزة والمادة الكهرضغطية تحت تأثير الإجهادات.

تطبيقات المجال الكهربى للطبقة الكهرضغطية نتنج عزم انحناء في المركب المعدنى الكهرضغطى وتنتج انحراف عمودى في المحرك. مواد المحرك في هذه الفئة تتضمن محركات القوس قزح ومحركات الهلال ومحركات الرعد. تمت دراسة محركات الرعد على نطاق واسع وهى متاحة تجاريا من ( Face International Corporation ). وقد باعو تشكيلة من الابعاد مع مدى لخواص الازاحة الحرة من 100 ميكرو متر إلى 7 مللى متر ومدى لخواص القوة من 3 نيوتن إلى أكثر من 100 نيوتن.

فئة مبتكرة من اجهزة بيمورف التي تمكن من اداء التحجيم هى محركات كتلة البناء.نوع واحد من المحركات هو الكتلة سى والذي يتكون من مقطع منحنى من خزف كهروضغطى او بوليمر مشكل على شكل حرف سى باللغه الإنجليزية .نوع اخر من محركات كتلة البناء هو محرك اعادى الانحناء. والنوعان السابقان لهما القدرة على التحجيم في النطاق الذي يسمح بجعلها متصلة ميكانيكيا في سلسلة او موازية لخيط من خواص انحراف القوى لجهاز مشترك.التجارب الديناميكيه لعناصر اعادة الانحناء الفردية المشيدة بمواد بيزوخزفية تقدر ازاحتها بما يقارب 70 ميكرو متر لقيادة الفولتية في مدى خطى.

المصدر:

[1]

  1. ^ Engineering Analysis of Smart Material Systems. Donald J. Leo