第8讲-纳米材料在航空航天领域的应用

纳米材料在航空航天领域中的应用1材料的主要类型2纳米结构材料在航空航天中的应用3纳米功能材料在航空航天中的应用纳米材料在航空航天领域中的应用根据构成材料的化学结合键的类型分：金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料材料的各种不同的分类方法按材料的性质和用途，大致分为：–结构材料–功能材料。“三足鼎立”，构成现代工业的三大材料体系。1材料的主要类型金属材料的历史与未来：铜的发现：公元前3500年；以后发展了冶炼青铜（Cu-Sn合金）的技术；炼铁技术：公元前1000年；以后发展了渗碳法炼钢。最近，传统金属材料的用量明显下降，大量新型金属材料的发现拓宽了金属材料的使用范围----金属材料的基本特性有哪些？结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构；在常温下一般为固体，熔点较高；具有金属光泽；纯金属范性大，展性、延性大；强度较高；导热和导电性好；在空气中易被氧化。汽车工业分类：硼化物陶瓷功能陶瓷{{高温结构陶瓷氧化物陶瓷氮化物陶瓷碳化物陶瓷最古老的材料技术：公元前一万年，古人就学会了以粘土为原料成型后经火烧制成陶器的技术；瓷器、容器、器皿。现代具有特殊性能的陶瓷称为先进陶瓷或精细陶瓷、特种陶瓷。典型性能：高温力学性能；高温稳定性能；电学性能；光学性能；功能转换性能。陶瓷材料特殊环境舍我其谁?石器陶器艺术陶瓷--结晶釉陶瓷材料的特点有哪些？化学键为离子键、共价键以及它们的混合键；硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能；自由电子数目少，导热和导电性较小；耐化学腐蚀性好；耐磨损；成型方式为粉末制坯、烧结成型。一些典型的现代陶瓷功能陶瓷材料在汽车上的应用氮化硅陶瓷氧化铝陶瓷器件氧化铝陶瓷器件高技术产品及其应用高分子/聚合物材料：由成千上万个重复性的单元小分子通过共价键连接而成的大分子，分子量104~106。分子量没有一个特定值而只有一个分布范围。源于自然，高于自然聚丙烯结构式麻的使用高分子科学是一门年轻的学科，但人类使用高分子材料则可追溯到远古时期：天然聚合物—麻黄自然界的天然聚合物马王堆汉墓出土的丝绸天然橡胶塑料的应用杂链聚合物结构模型图四类材料的饼图1、金属材料2、无机非金属材料3、高分子材料4、复合材料材料的通常分类：材料的复合结构：几种典型的分散复合结构纳米材料在航空航天有着极其广泛的应用前景:①纳米结构材料;②纳米功能材料;③纳米粉体;④纳米涂层航空材料有哪些？机载设备材料和武器航空材料包括：{飞机机体材料发动机材料大量采用高比强度和高比模量的轻质材料，提高飞机的结构效率，降低结构重量系数。飞机的心脏，针对高温材料的发展需求，开发高推重比材料。各种微电子、光电子、传感器等的的光、电、声、磁、热的多功能材料。火箭发射航天材料有哪些？弹头材料弹头材料设计：减轻重量，耐热问题（热障，8000-10000K，10MPa）航天功能材料航天材料包括：运载火箭及导弹材料航天飞行器材料{要求：减轻重量,绝对的可靠性；“为减轻每一克重量而奋斗”。运载火箭箭体材料、导弹弹头材料、发动机材料卫星、空间站、载人飞船等的材料控制系统、卫星遥感、遥控和跟踪所需材料航空航天技术的发展对材料科学提出的新要求：高强度低的密度耐高温(部分材料)耐腐蚀(部分材料)耐摩擦(部分材料)耐高压等性能(部分材料)航空航天飞行器在飞行时不同部位的温度6.2.1纳米金属6.2.2纳米陶瓷6.2.3纳米聚合物6.2.4纳米复合材料2纳米结构材料在航空航天领域的应用制造飞机及航天器的主要结构材料包括：金属材料（铝合金、镁合金、钛合金、锂合金、合金钢等）非金属材料（特种陶瓷等）高分子材料（工程塑料、纤维复合材料等）复合材料（各类复合材料等）机身及其辅助装置；机翼；发动机及其部件；螺旋浆；火箭喷嘴；点火器等。纳米结构材料正广泛用于航空航天飞行器中：(1)纳米金属及其复合结构材料(2)“发汗”金属(3)纳米焊接2.1纳米金属金属材料自身潜力远未穷近。黑色金属：铁和以铁为基的合金（碳钢、铸铁、铁合金）有色金属：黑色金属(Fe、Cr、Mn)以外的所有金属及其合金。重金属轻金属贵金属稀有金属合金两种或两种以上金属元素构成以构成材料的元素种类分：以材料组分的复杂程度分：{{纯金属（铜，铅，铝，钛）(1)纳米金属及其复合结构材料金属材料的分类不同材料的拉伸应力--应变曲线现代各种军用和民用飞机及航天器结构用材的新格局：铝合金为主，钢用量明显减少，钛合金用量明显增加。铝合金质量轻，强度高，传统的飞机或飞行器蒙皮材料；（新）铝-锂，铝-钪。钛合金比强度高(是铝合金的5倍）,发动机和飞机构架上。“未来的金属”超合金镍基、铁基和钴基合金的总称复合材料金属基复合材料、树脂基复合材料、C-C复合材料、梯度功能材料蒙皮翼肋加强隔框起落架机翼后梁机翼前梁铝合金飞机高温粉冶铝合金在减轻飞行器重量、降低成本和可保养性等方面具有明显的优势。典型铝合金：Al-0.071Fe-0.06Ce,Al-0.08Fe-0.01V-0.01Si钛及其合金“未来的金属”航空工业：飞机机身和蒙皮、发动机、尾锥、喷管、弹射舱、防火壁、夹层结构机身机架、连结件和其它零件。宇宙航行工业：飞船的液体燃料贮箱、高压容器、船舱、蒙皮、结构骨架、制动火箭主起落架、火箭、导弹高压容器、液体燃料贮箱、外壳、喷嘴、火箭发动机。具有重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀等许多优特性，是具有发展前途的新型结构材料。制造飞机和航天器的主要结构材料马赫数与用材的一般规律：3.5：发动机入口温度已很高，需用超级合金了，但其机身用钛量则显著增加。2：飞机发动机使用一部分钛及其合金，机身一般用铝合金。=2：其发动机用钛量增加，而且机身也部分需要用钛。钛和钛合金：“航空金属”。强度高、耐热性和耐腐蚀性好。主要用于飞机发动机和机身。典型钛合金：Ti-0.06Al-0.04V如：密度只有约铝合金50%的锂-镁合金等，以其塑性好、强度高等特性开始大量用作导弹、宇宙飞船的结构材料。为了进一步提高这些新型合金的性能，纳米相及纳米金属间化合物弥散补强合金的研究已引起各国科技人员的关注。采用纳米金属及其复合结构材料的原因：纳米增韧补强的新型复合结构材料将可大幅度提高材料的强度，降低材料的用量，减轻飞行器的质量，从而提高飞行器的飞行速度和性能。（y为屈服应力，o是移动单个位错所需的克服点阵摩擦的力，K是常数，d是平均晶粒尺寸）。还记得Hall-Perch(H-P)关系吗？表明：随晶粒尺寸的减小，屈服强度和硬度是增加的，它们都与d-1/2成线性关系，同时保持良好的塑性和韧性。当晶粒减小到纳米级时，材料的强度和硬度随粒径的减小而增大，近似遵从经典的Hall-Petch关系式，即：y=o+Kd-1/2。如果用硬度来表示，关系式可表示如下：H=Ho+Kd-1/2构成金属材料的晶粒尺寸减小到纳米量级，材料在室温下应具备很好的塑性变形能力纳米晶铜，在室温下冷轧竟从1厘米左右的长度延伸到近1米，厚度也从1毫米成为20微米（图下方）。室温下的超塑性变形达50多倍而没有出现裂纹。金属材料强度与韧性的关系纳米金属的典型应用例1.6nm的铁晶体压制而成纳米铁材料，比普通钢铁强度提高12倍，硬度提高2～3个数量级，可以制成高强度、高韧性的特殊钢材。例2.纳米铜或纳米钯的块体材料的硬度比起常规材料来足足提高了50倍，屈服强度也提高了12倍。例3.纳米Co-WC的硬度比普通Co-WC提高1倍以上，且韧性和耐磨性均显著改善。纳米金属的典型应用例4.纳米铝合金和镁合金及其纳米金属间化合物弥散补强的新型材料大幅度提高材料强度，减轻飞行器的质量，从而提高飞行器的速度与性能。例5.纳米氧化物弥散强化高温合金具有良好的高温强度、优异的抗氧化、耐摩擦以及耐高温腐蚀等性能，已部分用于航空发动机导向叶片、涡轮工作叶片。几种纳米金属及其特殊用途：纳米铁；高性能磁记录材料；磁流体；吸波材料；导磁浆料；纳米导向剂。纳米铜；金属和非金属的表面导电涂层处理；高效催化剂；导电浆料。纳米镍；磁流体；高效催化剂；高效助燃剂；导电浆料；高性能电极材料；活化烧结添加剂；金属和非金属的表面导电涂层处理。纳米钴；高密度磁记录材料；磁流体；吸波材料。纳米锌；高效催化剂。金属基纳米复合材料与技术金属基纳米复合材料的制备：1.挤出法如高强度铝合金Al-Ni-Mn合金。将纳米级的粉末真空脱气后封管，在400度左右温度下挤出，制成20~100mm的材料。挤出材的组织为30~50nm的Al3Ni及10nm的Al11Mn2均匀分散于Al的母相中的纳米复合相。2.非晶态合金晶化法由非晶态合金的结晶化处理得到晶体-非晶态纳米组织。如及急冷时控制冷却速度、含非晶态相的合金再进行热处理的方法等。3.机械合金化结合加压成块法把组成颗粒不断反复冷焊和断裂，制成纳米粉末，再使用热压等技术制成纳米复合材料。金属基纳米复合材料与技术金属基纳米复合材料的制备：4.循环塑性变形细化晶粒法如日本京都大学用Ag-Cu70%循环加压变形100次得到细小组织的过饱和合金，以及将Cu-Fe反复加压制成块状金属层状复合材料，每层厚度5~30nm。5.烧结法制备金属基纳米复合材料。如将铝粉和AlN颗粒尺寸降至30~40nm，制备好的混合粉末在大的压力下热压烧结，可得高密度纳米复合材料。金属基纳米复合材料与技术金属基纳米复合材料的力学性能的改善和应用：力学性能：包括弹性摸量、弹性延伸、拉伸（压缩）强度、伸长率和冲击韧性。母相粒径为30~40nm以上时，纳米复合材料屈服强度增加：由母相晶粒的细化和第二相分散强化造成。母相粒径为30~40nm以下时，Hull-pitch关系不成立，反而是晶粒尺寸减小，屈服应力减小。原因：因为粒径为30~40nm以下时，晶界滑移起支配作用，晶界不起晶内的滑移位错的聚集点反而是位错的消灭点。还有30nm以下的晶粒内基本不存在位错，而且很容易在晶界消减。这些都是强度降低的原因。金属基纳米复合材料与技术金属基纳米复合材料的力学性能的改善和应用：由纳米金属颗粒析出而造成的异常强化现象的原因：①约10nm以下的微小金属颗粒内部不能产生位错，是不含缺陷的完整颗粒，具有与理想强度相近的强度；②金属纳米颗粒可有效抑制非晶态相的剪切变形；③非晶态/结晶界面可认为是液态/固态界面，其界面能比固态/固态界面能低1个数量级，处于不含过剩空孔的高密度原子排列状态，导致裂纹不易产生。金属基纳米复合材料与技术主成分为Al-Ni-Mn系合金经挤出法，形成纳米复合材料。挤出材的性能与挤出条件关系很大。密度为2.9~3.2g/cm3，弹性模量85~94GPa，2%屈服强度600~850MPa，塑性伸长率1.5~10%，V形缺口冲击韧性5~8J/cm2，耐热强度500MPa（200度），259MPa（300度），107循环后室温疲劳强度270MPa，150度时220MPa。这种纳米结晶的铝合金的比强度和比钢性超过商用的铝合金、不锈钢甚至钛合金。利用这些特性，可以制作高速运动的机械部件、机器人部件、体育用品和模具。举例-----高比强度铝合金(2)“发汗”金属出汗是生物体一种常见的现象，出汗有着重要的生理作用，其主要作用之一是调节体温，通过汗液的蒸发带走部分热量。问题：在航空航天技术中，人们能否向生物学习，研制出“发汗”金属，使其在高温下出汗散发热量呢？研究背景和原因：在通过火箭作为运载工具，将卫星、宇宙飞船、航天飞机发射到天空时，由于火箭燃烧室内化学燃料燃烧时产生高温高压气体，通过喷嘴高速向后喷射产生巨大的反作用力，从而推动火箭体高速飞行，飞行速度可高达4000m/s。高速飞行的火箭体与空气摩擦产生极高的温度。就是最高熔点的金属钨(熔点3380℃)也难以承受如此的高温高压。把金属钨制成介孔的金属骨架，以相对低熔点的铜或银等填充在孔隙或“汗孔”中，就能制成“发汗金属”。用“发汗金属”制成的火箭喷嘴，