纳米复合材料在航天器上的应用分析和前景展望

纳米复合材料在航天器上的应用分析和前景展望作者柳澍暄指导教师刘志刚摘要：众所周知，复合材料由于结构和功能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通等领域，而纳米材料的出现，无疑又扩大了复合材料“可设计性”的内涵和外延，成为当今各国在材料领域竞相争逐的热点方向。本文将着重根据纳米复合材料的性能，分析在航天器上的应用，同时根据航天器未来发展要求，展望纳米复合材料的发展前景。关键词：纳米材料，纳米复合材料，航天器，可设计性一．纳米复合材料和航天器的发展背景纳米材料自从20世纪70年代问世以来，先是经历了以单一材料和单相材料为研究对象的实验室探索阶段，然后纳米材料的物性和合成探索又一度成为纳米材料领域的主导研究方向，在近几年，以纳米颗粒、纳米丝、纳米管等为基本单元在一维、二维、三维空间组装排列成具有纳米结构的体系成为典型特征。以此为基础，纳米复合材料不仅保持了复合材料性能的的可设计性，而且更加拓宽了性能改变的途径、方式和可操作性。另一方面，航天器结构是所有航天器的重要的组成部分和基础，它需要在各种力学和空间环境下，为航天器提供支撑骨架和外形，为仪器设备提供固定安装边界，承受和传递载荷，并保持一定刚度、精度和尺寸稳定性。总而言之，影响航天器结构性能的瓶颈问题就是结构用材料的物理和化学性能。正是纳米复合材料的性能非常契合航天器结构材料的应用要求，纳米复合材料得到非常大的关注和发展。二．纳米材料的优异性能及其相应的应用前景分析和展望2.1纳米材料在航天器能源上的应用纳米材料是不同于晶态、非晶态的新的结构形态，从而带来许多新的性质。如近年来出现的一种新型纳米级多孔碳素材料，其颗粒尺寸为3-20nm，孔隙长约50nm,比表面积可达600-1000平方米每克，它是高效高能电池的理想电极材料之一，理想高效能能电池的出现，将为实现航天器的“长寿命”和应对复杂太空环境提供了一种技术上的支持。在2013年12月2日发射的嫦娥三号月球探测器，在成功登月后，必须要经历月球月昼和月夜以及温差高达300多摄氏度的环境考验。为了解决在月夜环境下，应对极低温的环境，必须要高效高能电池来维持设备正常工作所需要的温度和动力，在嫦娥三号上，我国是通过利用核电池解决了技术难题。但是，在当下利用核能源的技术还不是太成熟和完善的条件下，利用核电池存在许多潜在的风险。纳米材料的出现，则提供了实现电池高效高能的可行的一种途径。2.2纳米材料复合材料在航天器抗高能射线上的应用纳米材料由于显著的量子尺寸效应，而具有优异的光学性能。例如，纳米二氧化钛对紫外光的吸收率高达90%，纳米二氧化硅对紫外光的反射率高达90%，纳米三氧化二铝、二氧化硅、氧化锌等对红外光具有反射作用。除此之外，一些氮化物和碳化物的纳米粒子对红外具有良好的吸收作用。与此相应的是，在空间环境中存在太阳发射出来的大量的红外线、紫外线等高能粒子射线，这些高能粒子对航天器结构复合材料产生静电积累、材料降解等不利作用。选择不同的基体和具有特定结构功能的纳米结构增强体可以制备出满足抗不同空间环境性能的纳米复合材料。可以应用到树脂基体中的纳米增强体包括碳纳米管、层状硅酸盐、以及各种氧化物，基体则根据不同的功能需求而定。将这些纳米材料应用到航天器结构材料或者表面涂层中有望提高航天器的抗紫外辐射等高能射线的能力，进而提高航天器运行的可靠性和满足长寿命的要求。2.3碳纳米管在航天器上的应用碳纳米管是20世纪90年代出现的新材料，由于具有良好的力学性能、热性能、电性能等在航天器上具有极好的发展前景，应用趋势多为碳纳米管增强的复合材料。单壁碳纳米管（SWNT）直径约为1nm,长度0.6微米至几十微米，密度大约为0.89克每立方厘米，是钢的六分之一。碳纳米管绳直径为10-20nm时，长度可达100微米。而强度约15-52GPa，比钢强10倍以上；模量1TPa，比钢高5倍；电阻100微欧；热导率是200W/mK，未卷曲的碳纳米管热导率是2000W/mK。碳纳米管是各向异性，轴向与径向差别较大，径向热导率0.4W/mK。一旦碳纳米管的微观高强度转移到宏观水平的技术成熟，碳纳米管在航天领域将作为一种极具革命性的材料使用。一种可行的途径就是利用化学方法使碳纳米管的表面形成极性基团，将许多碳纳米管交联在一起，然后利用纳米材料由于表面效应而带来的表面张力和表面能的增加与树脂复合制成纤维、做成结构，应用到航天器上。以多功能可重置机翼为例，根据功能要求可应用用于机翼拱形控制的形状记忆合金元件、用于实际像整和分离控制的合成喷口、气流控制反馈用多传感器微机电系统阵列、纳米管复合防辐射层、基于纳米管的结构性超级电容器和多功能结构层。自下而上的设计方法制造的碳纳米管增强的树脂基复合材料能够带来像多功能材料一样的系统效应，不仅能应用到结构材料中，而且热控或抗微流星体撞击结构材料中。2.4碳纳米纤维在航天器上的应用碳纳米纤维（CNF）与碳纳米管（SWNT）均属碳的纳米结构，CNF是直径在50nm-200nm之间的介于碳纳米管和气相生产碳纤维之间的碳纳米结构材料，不仅具有气相生产碳纤维所有的特性，而且在结构、性能和应用方面和碳纳米管相似。在空间领域中可应用于抵抗从地球阴影区到太阳照射区的热变形及原子氧、空间碎片及质子流等方面。应用范围包括定制热膨胀系数、雷达信号衰减涂层、静电消耗、适应性电导和提高结构材料性能等。2.5纳米材料在航天光学遥感器上的应用纳米材料改性的聚合物具有良好的力学性能、物理性能和化学性能，在航天器结构中具有良好的应用前景。以航天光学遥感器为例进行分析：热膨胀性能是航天光学遥感器在高低温热循环交变的空间环境中能否正常工作的决定性因素。在空间环境温度-170摄氏度-100摄氏度循环交变下，复合材料中的两种组分由于热膨胀的不匹配而会产生很大的内应力差，如果应力差过大，会造成复合构件变形进而引起功能的失效。因此航天光学遥感器对材料和结构的尺寸和稳定性要求很高，这就要求复合材料结构的热膨胀系数在稳定的范围内变化并且不同部位对热膨胀系数的要求还不一样。另外，还要保证航天器上各种仪器工作在允许的范围内，要求特定部位能够及时将仪器散发出来的热转移到太空中去，这就要求材料具有较高的导热率。一般的非金属材料热膨胀系数过大、导热率过低而不能满足航天光学遥感器对材料性能的要求，而如果在这些材料里加入改进剂纳米材料，那么一方面可以提高复合材料的导热率，一方面降低复合材料的膨胀系数，进而增强航天光学遥感器在轨工作的稳定性，提高其使用寿命。除此之外，航天光学遥感器工作时必须要保证镜头的清晰度。而在长时间的在轨运行后，航天光学遥感器所用的树脂复合材料和一些非金属材料的空间辐照引起的材料降解会引起光学遥感器镜头的污染，进而影响到观察和测量工作的正常进行。而在这些材料里添加多孔纳米材料后会有效降低树脂及其复合材料的可凝挥发物和总重，进而有利于降低航天光学遥感器镜头的污染。如嫦娥三号上的月基光学望远镜的反射镜，选用了质量轻、热导率高、热膨胀系数低的高致密特种陶瓷材料，在-20摄氏度-40摄氏度的温度下能稳定工作，而热胀冷缩引起的变形几乎微乎及微，保证了成像质量。随着纳米复合技术的成熟，不久的将来，这些材料将会被更具有可设计性和可操纵性的纳米复合材料所代替。三．结语在20世纪，高纯硅、锗等半导体材料的出现，产生了晶体管、集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路等，从而带来计算机革命，让过去庞大的貌似遥不可及的计算机成为现在几乎每个人日常生活的一部分。同样的，随着纳米技术的发展，纳米材料逐渐实现工业化生产，同时纳米技术和复合材料的有机结合，无疑会推动航天器的革命。希望在不久的将来，让现在貌似非常庞大遥不可及的航天器能通过一次次的技术革命，走进普通大众的日常生活。参考文献：1.强亮生徐崇泉工科大学化学北京：高等教育出版社20122.董彦芝等航天结构用材料应用现状与未来需求中国空间技术研究院20043.孙东华等纳米材料在航天器上的应用前景返回与遥感2005第26卷第2期4.中科院硅酸研究所用神奇材料为嫦娥三号定制多种部件2014