您好,欢迎访问三七文档
浅析纳米材料在航天领域的应用一、前言在现代材料科学与技术发展历程中,人们发现,纳米材料的特殊结构决定了纳米材料具有一系列的特异效应(如:小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等),因而出现常规材料所没有的一些特别性能,从而使纳米材料己获得和正在获得广泛的应用。随着航天事业的发展,纳米材料同样发挥着不可替代的作用。尤其是满足航天航空领域对材料性能的特殊要求,应用纳米材料可减少航天器件的体积和质量,提高其可靠性。在航天领域主要应用到的纳米材料分为两大类,功能性纳米材料和结构性纳米材料,本文主要就该两大类纳米材料以及纳米材料在该领域未来的发展前景进行介绍。二、纳米材料在航天领域的应用1、结构性纳米材料1.1增韧陶瓷结构材料陶瓷材料在通常情况下呈现脆性,只有在1000℃以上温度时表现出塑性,而纳米陶瓷在室温下就可以发生塑性变形,在高温下有类似金属的超塑性。由于纳米超细微粒制成的固体具有大界面,界面原子排列相当混乱,原子在外力作用下容易迁移,因而由纳米超细粒子制成纳米陶瓷具有良好的韧性以及其他优异的力学性能。研究发现,将纳米粒子分散到陶瓷基体中,可以极大提高材料的断裂强度和断裂韧性,明显改变耐高温性,并提高材料硬度、弹性模量和抗热震及抗高温蠕变性,陶瓷基体包括氮化硅、碳化硅等,这些陶瓷具有耐高温、强度和硬度高、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能,而其致命的弱点是具有较强的脆性,在应力作用下,会产生裂纹,甚至断裂导致材料失效。而将纳米材料与陶瓷基体复合,是提高陶瓷韧性和可靠性的一种有效方法。可得到韧性优良的纳米增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料已经在航空航天领域中得到广泛的应用。例如:纳米氮化硅掺杂制造的精密陶瓷结构器件可用于航天航空领域中有耐磨、耐高温、耐腐蚀要求的结构器件中。1.2纳米改性聚合物基复合材料近几年来,随着纳米技术的发展,聚合物与纳米材料的复合成为材料研究领域的一大热点。纳米粒子具有很大的比表面积,与聚合物之间产生很强的界面相互作用,能够显著提高可提高其耐磨性、硬度、强度和耐热性等性能。我们知道,VICTREXPEEK聚合材料被广泛用于航空工业,具有杰出的耐化学腐蚀性和低比重等高性能特性,VICTREXPEEK聚合物在越来越多的航空应用中替代了金属、传统热固性复合材料和其他塑料材料。然而,随着航空航天、汽车、机械、医疗等领域技术的飞速发展,应用于这些领域的特种工程塑料性能的要求越来越高,对现有特种工程塑料进行复合改性是满足这种要求的有效途径。将PEEK与其他高性能聚合物共混或与纤维、粉状填料复合,可进一步提高其热力学性能和耐摩擦磨损性能,改善其在无润滑、高温、高负载、腐蚀等严酷环境下的使用性能,并降低材料成本,扩大其使用范围。KuoM.C和ChristiamJ等系统研究了SiO2,ZrO3,Si3N4,SiC等纳米粒子填充PEEK复合材料的摩擦磨损性能。结果表明,在某一特定值下,经过改性的PEEK材料的摩擦因数随载荷的增加而下降,表明在高载荷下纳米粒子更能有效地降低材料的摩擦因数。这些无机填料填充聚合物不仅起到承载、减小变形的作用,还可以使聚合物薄膜转移,改善转移膜的附着强度,减小摩擦,降低磨损,形成自润滑复合材料。这些具有优异综合性能的PEEK基复合材料,已经在航空航天、汽车、机械等众多工程领域得到应用,并且具有广阔的发展前景。1.3纳米改性金属基复合材料晶粒细化是提高金属材料强度最有效的方法之一。利用添加纳米陶瓷来增强金属合金基材料的方法,就是把纳米陶瓷粉体均匀分散于合金中,以提高合金的成核速率,同时抑制晶粒长大,从而起到晶粒细化的作用。抑制材料使用过程中微裂纹的扩展.提高产品的强度。例如,将纳米碳化硅、纳米氮化硅、纳米氮化钛、纳米硅粉添加到金属基体(铝、铜、银、钢、铁等合金)中。可制造出质量轻、强度高、耐热性好的新型合金材料。前苏联科学院,在纯金属、合金或金属间化合物中获得超微细组织,材料的强度和断裂韧性将明显提高。例如,1420铝锂合金10μm晶粒尺寸的板材,其屈服强度为330MPa,延伸率为5%,而200nm晶粒尺寸的同样材料,其屈服强度为550MPa,延伸率也略有提高。具有纳米颗粒的铝锂合金超塑性明显提高,可在较低的温度和较大的应变速率下实现超塑成形。例如,陶瓷和金属间化合物(如TiA1、TiAl等)通常是宏观脆性材料,当其晶粒尺寸达到纳米量级时,就会变成宏观塑性材料,可加工性能明显改善,使它们在航天飞行器上有可能提前获得应用。在固体火箭推进剂中采用纳米级铝粉,由于其表面积增大,有可能提高固体火箭推进剂的燃烧效率。1.4工程塑料类复合材料纳米材料与工程塑料复合既能提高工程塑料的固有性能,又可赋予其高导电性、高阻隔性及优良的光学性能等。因此,把纳米材料应用于工程塑料的改性,可进一步拓宽工程塑料的应用范围。采用纳米粒子对有一定脆性的工程塑料增韧是改善工程塑料韧性和强度等力学性能的一种行之有效的方法。只要纳米粒子与基体树脂结合良好,纳米粒子也可承受拉伸应力,增韧、增强作用明显。少量纳米氮化钛粉体用于改性热塑性工程塑料时.可起到结晶成核剂的作用。将纳米氮化钛分散于乙二醇中,通过聚合使纳米氮化钛更好地分散于PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)工程塑料中,可加快PET工程塑料的结晶速率,使其成型简单,扩大其应用范围。而大量纳米氮化钛颗粒弥散于PET中,可大幅提高PET工程塑料的耐磨性和抗冲击性能。2、功能性纳米材料2.1隐身材料隐身技术作为提高武器系统生存和突防能力,提高总体作战效能的有效手段,受到世界各军事大国的高度重视。隐身材料的发展和应用是隐身技术发展的关键因素之一。雷达波吸收材料(RAM)是隐身材料中发展最快、应用最为广泛的材料,而制备吸波材料的关键是要有性能优异的雷达波吸收剂,它是吸波材料的核心。纳米材料具有特殊的光学性能,粒度越细,对光的吸收作用越强烈采用铁氡体纳米颗粒与聚合物制成的复合材料,能吸收和衰减电磁波及声波,减少反射和散射,被认为是一种极好的隐身材料。据资料报道,纳米复合材料多层膜在7~17GHz频率的吸收峰高达14dB。在10dB的吸收水平,其频宽为2GHz,几十纳米厚的膜相当于几十微米厚的通常吸波材料的吸波效果,从而在军事航空领域可望提高战略飞行器的突防能力。再如,纳米材料具有的小尺寸和量子尺寸效应等特性。使金属、金属氧化物和某些非金属材料在细化过程中,处于表面的原子越来越多,悬挂键增多、界面极化增强。多重散射及量子尺寸效应使纳米粒子的电子能级能隙变宽。能隙宽度处于微波范围(10%V10-SeV)内。因而可能成为新的吸波通道。纳米陶瓷粉体是陶瓷类红外吸收剂的一种新类型.主要包括纳米碳化硅粉、纳米氮化硅粉等。纳米陶瓷类红外吸收剂具有吸收波段宽及吸收强度大等特性。纳米碳化硅和磁性纳米吸收剂(如磁性纳米金属粉等)复合后。吸波效果还能大幅度提高。纳米氮化物吸收剂主要有氮化硅和氮化铁。纳米氮化硅在100Hz一1MHz范围内有比较大的介电损耗,纳米氮化硅的这种强介电损耗是由于界面极化引起的纳米氮化铁具有很高的饱和磁感应强度和饱和磁流密度,有可能成为性能优良的纳米雷达波吸收剂。2.2耐热材料飞行器在大气中高速飞行时,由于气动加热的原因,飞行器表面与空气发生剧烈的摩擦,产生大量的热量,使飞行器表面温度急剧上升。为防止飞行器被烧毁,一般需要在飞行器表面涂敷上一层高温防热涂料。对于飞行速度较高的飞行器,一般采用玻璃一酚醛、高硅氧一酚醛、碳一酚醛甚至C—C复合材料,。随着科技的发展,反导能力的提高,对导弹武器的突防能力提出了更高的要求,其中提高导弹飞行速度就是一个较好的突防手段,但导弹速度的提高必然导致导弹表面温度的升高。采用纳米改性的玻璃钢材料能显著提高材料的热防护性能,在未来航天领域具有广阔的应用前景。另外对于纳米陶瓷类耐热材料,由于其具有高耐热性、良好的高温抗氧化性、低密度、高断裂韧性、抗腐蚀性和耐磨性,因此也被广泛应用于航空航天领域。这对提高航空发动机的涡轮前温度,进而提高发动机的推重比和降低燃料消耗具有重要作用,有望成为舰艇、军用涡轮发动机高温部件的理想材料,以提高发动机效率、可靠性与工作寿命。2.3固体火箭推进剂固体火箭推进剂主要由固体氧化剂和可燃物组成。固体火箭推进剂的燃烧速度取决于氧化剂与可燃物的反应速度。它们之间的反应速度的大小主要取决于固体氧化剂和可燃物接触面积的大小以及催化剂的催化效果。纳米材料由于粒径小、比表面积大、表面原子多、晶粒的微观结构复杂并且存在各种点阵缺陷,因此具有高的表面活性。正因为如此,用纳米催化剂取代火箭推进剂中的普通催化剂成为国内外研究的热点。例如,在固体火箭推进剂中添加纳米级铝粉或镍粉.推进剂燃烧效率可得到较大提高、燃速显著增大。含有纳米金属铝粉的固体推进剂燃速比含有常规铝粉的固体推进剂的燃速高5-20倍。2.4磁性材料纳米材料具有单磁畴结构,其磁化率、矫顽力很高,饱和磁矩和磁损耗较低,而且它的磁化过程完全由旋转磁化进行。所以可用作永磁记忆材料,以显著提高信噪比,改善图形质量,可望在卫星记忆材料上得到应用。国外已制造出性能优于NdFeB的具有高矫顽力的纳米NdFcB材料。日本于1988年研制成功的纳米软磁材料“Finemct”,具有铁基非晶材料优异的高频特性,有可能在航天仪表上得到应用。磁性流体也叫磁液或磁流体,它是一种对磁场敏感、可流动的液体材料,具有固体的磁性和液体的流动性。由磁性微粒、载液和表面活性剂3部分组成。磁性微粒外包裹一层长链的表面活性剂,均匀地分散在载液中形成的胶体。磁流体在很多方面得到应用,磁流体密封是磁流体的主要应用之一。这种密封具有完全密封,无泄漏、无磨损、不发热、使用寿命长,不污染环境等优点。有望在航天器要求防尘密封和真空密封的部位得到应用。2.5特种密封材料发动机出现故障最多的是各种密封的失效,密封面的表面质量是决定密封性能好坏的主要因素,利用纳米材料制成密封零件基体或在密封表面覆盖一层纳米粉末将会极大的改善其密封性。纳米粒子加入橡胶能极大地改善其力学性能。纳米Al2O3粒子与橡胶复合可以提高其介电性和耐磨性。添加纳米SiO2的新型橡胶不但具有优越的力学性能,还可以根据需要设计具有特殊性能的新型橡胶,这种新型材料中的纳米SiO2不仅具有补强作用,而且具有常规橡胶不具备的一些功能特性,例如通过控制纳米SiO2的颗粒尺寸可以制备对不同波段光敏感不同的橡胶,既可抗紫外线辐射,又可反射红外,也可利用纳米SiO2制成电绝缘性能优异的橡胶。纳米级金刚石粉可用来增强橡胶、塑料、树脂。目前橡胶所用的增强剂多半为纳米级炭黑,若改用爆轰合成的含纳米级金刚石粉的炭黑,能使其拉伸强度提高1~4倍,并改善其耐磨性和密封性。2.6涂层材料纳米材料用作涂层可提高工件的耐磨性、抗剥蚀性和抗氧化性。研究表明,用纳米碳化硅、碳化锆、碳化钛、氮化钛、碳化硼等粉体作为金属表面的复合涂层,可获得超强耐磨性和自润滑性,其耐磨性比轴承钢高100倍,摩擦系数为0.06~0.1,同时还具有高温稳定性和耐腐蚀性。在液体火箭发动机关键零部件中应用纳米技术,可大大延长这些零部件的使用寿命。纳米材料在航天领域还有很多的应用,如采用纳米材料对光电吸收能力强的特点可制作高效光热、光电转换材料,可高效地将太阳能转换成热、电能,在卫星、宇宙飞船、航天飞机的太阳能发电板上可以喷涂一层特殊的纳米材料。用于增强其光电转换能力;在电子对抗战中将各种金属材料及非金属材料(石墨)等经超细化后,制成的超细混合物用于干扰弹中。对敌方电磁波的屏蔽与干扰效果良好;将超细化后的石墨纤维装入适当的炸药。可以制成石墨炸弹或碳纤维弹,其爆炸后当石墨纤维飞扬于敌方电网区时,能使敌方电网短路,起到破坏电网系统的作用;在火箭发动机壳体上喷涂一层防静电纳米涂料。可以有效的提高火箭工作的可靠性。三、纳米材料在航天领域未来的发展前景纳米材料是极有发展前途的崭新的多学科领域的材料,目前在工程技术上尚未获得实际应用。各国从事材料科学的专家学者们正在渴求全力开发新型纳米材料(特别是纳米复合材料),寻求适合新型纳米材料制备的新工艺,进一步探索纳米材料
本文标题:空间材料物理与化学
链接地址:https://www.777doc.com/doc-2151779 .html