Применение интеллектуальных материалов при производстве, диагностировании и ремонте машин

Второе издание, переработанное и дополненное

ПРИМЕНЕНИЕ
ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ 
МАТЕРИАЛОВ 

ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ, 
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ, 
ДИАГНОСТИРОВАНИИ
ДИАГНОСТИРОВАНИИ
И РЕМОНТЕ МАШИН
И РЕМОНТЕ МАШИН

ÌÎÍÎÃÐÀÔÈß
ÌÎÍÎÃÐÀÔÈß

Â.À.ÇÎÐÈÍ
Â.À.ÇÎÐÈÍ

Í.È. ÁÀÓÐÎÂÀ
Í.È. ÁÀÓÐÎÂÀ

Москва 
ИНФРА-М 

202

Зорин В.А.

Применение интеллектуальных материалов при производстве, 

диагностировании и ремонте машин : монография / В.А.Зорин, 
Н.И.Баурова. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2024. – 
110 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/8238.

ISBN 978-5-16-010801-8 (print)
ISBN 978-5-16-102799-8 (online)

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 621(075.4)

ББК 34.4

З86

УДК 621(075.4)
ББК 34.4
 
З86

© Зорин В.А., Баурова Н.И., 2011, 2015

ISBN 978-5-16-010801-8 (print)
ISBN 978-5-16-102799-8 (online)

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   .  .  .  .  . 9

1 .3 .  Методология применением интеллектуальных 

наноструктурированных материалов при производстве, 
диагностировании и ремонте машин   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .19

2.  
Интеллектуальные материалы, применяемые при производстве, 
диагностировании и ремонте машин  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 .1 .  Оптические сенсоры   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 22
2 .2 .  Пьезокомпозитные датчики   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 25
2 .3 .  Материалы с эффектом памяти формы   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 29
2 .4 .  Жидкокристаллические полимерные материалы   .  .  .  .  .  .  .  . 33
2 .5 .  Магнитострикционные материалы   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 38

3. Интеллектуальные материалы на базе углеродных волокон . . . . . . . . 40

3 .1 .  Общие сведения об углеродных волокнистых  

наполнителях  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 40

3 .2 .  Оценка интеллектуальных свойств углеродных  

волокон  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 43

3 .3 .  Влияние дефектов углеродных волокон  

на их интеллектуальные свойства   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 50

3 .4 .  Прогнозирование работоспособности углеродных  

волокон в системах диагностирования   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 58

4.  
Технология применения интеллектуальных материалов на базе 
углеродных волокон при производстве, диагностировании  
и ремонте машин  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4 .1 .  Определение оптимальной схемы монтажа  

диагностических датчиков на конструкции   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .61

4 .2 .  Влияние способа крепления углеродного волокна  

на конструкции  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 66

4 .3 .  Технология крепления углеродного волокна  

к приборам в процессе снятия показаний   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 69

5. 
Использование интеллектуальных материалов  
при решении инженерных задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5 .1 . Метод диагностирования с использованием углеродных 

волокон  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 72

5 .2 . Метод диагностирования с использованием углеродных 

волокон и жидкокристаллических полимерных  
материалов  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 78

5.3. Метод диагностирования с использованием капсулиро-

ванных красителей ………………………………………….
82

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

 
89 

6.1. Определение влияния эксплуатационных факторов ……... 89
6.2. Определение влияния климатических факторов …………. 97
6.3. Определение влияния технологических факторов ……….. 102

Литература ……………………………………………………………... 105

 

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 нано-
индустрия) 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. 

Глава 1. 
ВВЕДЕНИЕ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ  
 
В истории развития материалов можно выделить 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 интеллектуальных 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 реагировать 
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. Схематичное изображение структуры интеллектуального     

материала 

 

По оценкам многих экспертов, в ближайшем будущем создание ин-

теллектуальных материалов будет осуществляться по пути проектирования 
интеллектуальных конструкций, которые разделяют на три группы [
6]. 

 Интеллектуальные конструкции I типа (пассивные), которые мо-

гут 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 пассивных интеллектуальных конструкций (I типа) отно-

сится 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 воз-

никновении 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 инверси-
рующие (т.е. самопроизвольно восстанавливающиеся) угле- и стеклопластики [
7]. Эти материалы при определенных температурных условиях 
обладают способностью к полному восстановлению формы.  
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 нели-
нейно 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 самоди-
агностике в таких материалах существенным образом зависит от геометрических 
размеров конструкции, силового набора и схемы расположения 
сенсорных элементов. Например, обшивка некоторых военных самолетов (
СУ-47, СУ-35), 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 при проектировании и 
расчете таких конструкций сталкиваются с рядом проблем, которые до 
конца к настоящему времени не решены. Это в первую очередь технологические 
вопросы, связанные с размещением сенсоров внутри конструкции. 
Другая группа нерешенных задач относится к вопросам прочности 
самих конструкций при многократном генерировании сенсорами сигналов.  
 

1.2. Общие сведения о моделировании                               
наноструктурированных материалов и конструкций 
В последние десятилетия главными приоритетными направлениями 
развития материаловедения, которые активно развиваются и в научном 
направлении, и в практическом плане, являются наноматериалы и нанотехнологии. 
Нанотехнологии многие ученые относят к «прорывным 
направлениям», что связано с их быстрым переходом из области фундаментальных 
наук на прикладное использование. Нобелевский лауреат, 
вице-президент РАН, председатель комиссии РАН по нанотехнологиям 

Жорес Алферов писал, что самые заманчивые и перспективные приложения 
нанотехнологии находятся еще в стадии фундаментального исследования [
1]. 
Справедливости ради необходимо отметить, что нанометровые объекты 
были хорошо известны не только в XX, но и в XIX веке. Только 
ранее коллоидные системы не относили к нанообъектам, как и гетерогенные 
катализаторы, которые традиционно имели наночастицы на поверхности 
носителей. В химии высокомолекулярных соединений традиционно 
оперировали понятиями «надмолекулярное образование или 
надмолекулярная структура», которые также имеют наноразмерность, и 
сейчас их относят к нанообъектам.  
Отдельные примеры использования «наноматериалов» можно найти 
в древности, например, чернила из наночастиц сажи, которые использовали 
в древнеегипетских папирусах, в «Книгах мертвых», древнейших 
из известных рукописей. В 1850-е гг. М.Фарадей показал, что коллоидное 
золото меняет свой цвет в зависимости от размера частиц. В 
ХХ веке наночастицы стали применяться в катализе и возникло новое 
направление, связанное с получением и изучением свойств нанодис-
персных материалов.  
Развитие исследований в данной области связано со второй половиной 
XX века, когда в 1959 г. нобелевский лауреат Р. Фейнман предложил 
создавать новые материалы путем сборки малоразмерных объектов 
(атомов, молекул или их групп) [70]. А термин «нанотехнология» ввел в 
1974 г. японский ученый Н. Танигучи [6].  
Выделение наноиндустрии в самостоятельную отрасль промышленности 
произошло относительно недавно, только в последнее десятилетие 
ХХ века, и связано это со значительными успехами в области исследования 
нанообъектов (в первую очередь это вызвано развитием туннельной 
и сканирующей микрометрии) и с возникновением новых 
наноматериалов и нанотехнологий. За очень небольшой временной отрезок 
в различных странах учеными одновременно были синтезированы 
целые классы новых материалов на основе супрамолекулярных гибридных 
органических и неорганических полимеров.  
В нашей стране широкую известность в этом направлении получили 
работы В.Б. Алексовского, К. Бальхаузена, Г.К. Борескова, А.В. Елецкого, 
Э.Г. Ракова, С.П. Губина, Б.М. Смирнова, И.П. Суздалева и многих 
других. 
В зависимости от размеров исследуемых объектов их принято классифицировать 
по уровням (табл.1.1) [18]. 
Таким образом, к наноуровню относятся объекты субмикронного 
размера 1…100 нм.  
Выбор исследователями наноразмерных материалов осуществляется, 
как правило, по трем критериям [60]: 
 доступность самих нанодисперсных или наноструктурированных 
материалов; 
 возможность образования с их помощью новых наноструктуриро-
ванных организаций; 
 наличие синергетического эффекта от действия наночастиц. 

Несмотря на широчайшее применение термина «наноматериалы» и 
«нанотехнологии», существует несколько подходов к тому, как определять, 
что такое наноматериалы. 
Чаще всего такие материалы классифицируют по геометрическим 
размерам микроструктур, которые должны находиться в диапазоне от 1 
до 100 нм. В литературе такие материалы также называют нанострукту-
рированными, нанофазными, нанокристаллическими, супрамолекуляр-
ными и т.д.  
 
Таблица 1.1 
Классификация объектов по уровням 
 

Уровень
Объект
Характерный 

размер

Макроуровень 

Дерево
10 м

Человек
2 м

Животное
10-1

Насекомое
10-2

Мезоуровень
Песчинка
10-3

Микроуровень 

Яйцеклетка
10-4

Биоклетка
10-5

Эритроцит крови
10-6

Наноуровень 

Минимальный 
размер больших 
интегральных мик-

росхем

10-7

Диаметр углеродной 

нанотрубки

10-8

Диаметр спирали 

ДНК

10-9

Диаметр атома 

углерода

10-10

 
В соответствии с другой классификацией в качестве критерия рассматривают [
6; 74] размеры поверхностей раздела, поскольку именно от 
их протяженности зависят множества свойств материалов. В соответствии 
с этой классификацией размер зерен D в наноматериалах определялся 
в интервале, когда объемная доля поверхностей раздела в общем 
объеме материала составляет примерно V50% и более. Эта величина, 
как привило, оценивается достаточно приблизительно, из соотношения      
V 3s/D, где s — ширина приграничной области. При значении s в 1 нм 
и D = 6 нм доля поверхностей раздела составляет 50%. 
В соответствии с определением понятия «наноматериал» в качестве 
критерия рассматриваются геометрические размеры структурных элементов, 
которые определяют наиболее значимые свойства материалов. 
Например, размер бездефектного кристалла, для магнитных свойств – 

размер однодоменного кристалла, для электропроводности – длина свободного 
пробега электронов.  
В некоторых работах [5; 21; 61] предлагается в качестве основы классификации 
использовать способы получения наноструктурных материалов. 
При таком подходе различают твердотельные нанокластеры, матричные 
и субмолекулярные наноструктуры, кластерные кристаллы, фул-
лериты, нанопленки и нанотрубки.  
Наиболее полно вопросы терминологии отражены в работах [3; 24], 
где используются следующие термины. 
Наноматериалы 
геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 
100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами. 
Наноструктурированный – это качество, отражающее свойство материала 
содержать физически или химически различимые компоненты, 
один из которых имеет размеры в нанодиапазоне в одном или более измерениях. 

Наноструктуры материалов принципиально могут отличаться от 
микроструктур. Если в микроструктурах действуют законы макроскопической 
физики и механики твердого тела, то в наноструктурах – преимущественно 
законы квантовой физики. Наноструктуры можно считать 
уникальным состоянием вещества, и в этой области еще очень много 
предстоит исследовать и описать с теоретической точки зрения. 
Нанотехнология опирается на нанонауку, однако, отличается от нее, 
поскольку включает в себя: 
 методы и средства получения наноматериалов; 
 методы и средства производства приборов и устройств из функциональных 
наноматериалов (в том числе создание наноэлектро-
механических устройств, биосенсоров и биороботов, молекулярную 
электронику); 
 методы и средства производства приборов и устройств, основанных 
на квантоворазмерных эффектах; 
 методы и средства позиционной сборки (использование зондовых 
методов, создание ассемблеров и дизассемблеров); 
 создание и использование микророботов-репликаторов. 
Таким образом, нанотехнология – совокупность методов и приемов, 
обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и 
модифицировать объекты, включающие в себя компоненты с размерами 
менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества. 
На 7-й Международной конференции по наноструктурным материалам (
г. Висбаден, 2004 г.) предложена следующая классификация материалов: 
нанопористые твердые вещества; наночастицы; нанотрубки и 
нановолокна; нанодисперсии; наноструктурные поверхности и пленки; 
нанокристаллические материалы. Поры в свою очередь подразделяются 
на микро-, мезо- и макропоры (табл.1.2). 
 
 
 

–  материалы, содержащие структурные элементы,