纳米科技在航空航天上的应用

纳米科技在航天航空上的应用

一、纳米技术的简介

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。

二、纳米技术的特性 （1）表面与界面效应

这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。

（2）小尺寸效应

当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。

（3）量子尺寸效应

当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。

（4）宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

三、航天航空技术的简介

航空航天科学技术是20世纪兴起的现代科学技术，自其形成以来，一直汲取基础科学和其他应用科学领域的最新成就，高度综合了工程技术的最新成果，并引领许多学科专业的发展，甚至促成某些专业的形成。它是20世纪以来发展最为迅速、对人类生活影响最大的科学技术之一。进入21世纪，航空航天科学技术继续保持高科技的重要地位，在推动原始

创新，促进学科交叉与学科融合方面扮演着重要角色。

四、纳米材料在航天器结构材料上的应用 细晶是目前唯一的一种既可以提高金属强度，又可以提高韧性的方法。在纳米金属材料中普遍存在着细晶强化效应，即材料的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，若把超微细陶瓷粉末引入金属基体(如向铝、铜、银、钢、铁等合金中引入SiC、Si3N4 、TiN)可制造出

质量轻、强度高、耐热性好的新型合金材料。

纳米TiN具有高硬度、耐高温、粒度小和分散好的特点。表面ZETA电位：-18.0mV，与金属具有非常优秀的结合力。在钢水结晶过程中成为晶核相，大大增加成晶数量和减少晶粒尺寸。达到细化合金晶粒的效果，改善合金性能的目的。晶粒越细，单位体积内的晶粒界面越多，由于晶界间原子排列比晶粒内部的排列更加紊乱，因而位错密度较高，致使晶界对正常晶格的滑移位错产生缠结，不易穿过晶界继续滑移，变形抗力增大，表现为强度提高。 纳米晶合金打破了常规合金生产中的一些定律，即硬度提高必然伴随韧性下降的结论，对于小尺寸晶粒，纳米合金变质剂的高表面活性可以使晶粒以较快速度合并，使晶粒尺寸增大和晶粒与晶粒合并的驱动力同时减小。在合金中形成晶须结构，明显提高合金硬度及韧性。

五、纳米材料在航天器功能材料上的应用

(1)雷达及红外隐身材料

纳米材料独特的结构使其自身具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和界面效应等独特的性质，金属、金属氧化物和某些非金属材料的纳米级超微粉在细化过程中，处于表面的原子数越来越多，高浓度晶界和晶界原子的特殊结构导致材料在电磁场的辐射下，原子、电子运动加剧，促使磁化，使电磁能转化为热能，从而增加了对电磁波的吸收。纳米材料的发展为吸波材料又提供了新的可能性，纳米材料由于本身颗粒小、比表面积大、表面原子比例高、悬挂键多、界面极化

和多重散射是其重要的吸能波机制，量子尺寸效应使纳米粒子的电子能级发生分裂，分裂的能级间隔正处于微波的量级范围（10-2eV～10-5eV），从而有可能成为新的吸波通道。纳米雷达波吸收剂作为一种新型的吸收剂已成为各国研究的热点。

纳米陶瓷粉体是陶瓷类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、纳米Si／C／N及纳米Si／C／N／O等。纳米陶瓷类吸收剂的显著特点是在高温下抗氧化性较强，吸波性能稳定

碳化硅作为吸收剂已经进行了较多的研究，碳化硅不仅具有一定的吸波性能、能减弱发动机红外信号，而且具有耐高温、相对密度小、韧性好、强度大、电阻率高等优点，是国外发展很快的吸收剂之一， 纳米碳化硅吸收频带更宽，对毫米和厘米波段都有很好的吸收效果。纳米碳化硅和磁性纳米吸收剂(如纳米金属粉等)复合后，吸波效果还能大幅度提高，纳米量级的碳化硅晶须加入到纳米碳化硅吸收剂中其吸渡效果也有很大提高。纳米氮化物吸收剂主要有氮化硅和氮化铁，纳米氮化硅在102Hz～106Hz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，界面极化则是由悬挂键所形成电偶极矩产生。纳米氮化铁具有很高的饱和磁感应强度，而且有很高的饱和磁流密度，有可能成为性能优良的纳米雷达波吸收剂。

(2) 导电、导磁、导热、隔热等功能材料

纳米TiN具有优良的导电性能，在Al2O3基体中加入纳米TiN颗粒可以有效降低其电阻率，

随着纳米TiN加入量的增加，复合材料的电阻率逐渐降低，当加入量达到20vol%以后，复合材料的电阻率趋于稳定，25vol%TiN添加量时复合材料的电阻率为5.5×10-3Ω·cm。由于纳米TiN颗粒粒径小，具有较高的比表面积，在复合材料中与Al2O3颗粒有更多的接触面，更容

易形成导电网络，因而纳米TiN- Al2O3复合材料具有更好的导电性能，特别在低添加量时，

效果尤为明显。

超高导热纳米AlN复合的硅胶具有良好的导热性， 良好的电绝缘性， 较宽的电绝缘性使用温度（工作温度-60℃～-200℃）， 较低的稠度和良好的施工性能。产品已达或超过进口产品， 因为可取代同类进口产品而广泛应用于电子器件的热传递介质，提高工作效率。如CPU与散热器填隙、大功率三极管、可控硅元件、二极管、与基材接触的细缝处的热传递介质。纳米导热膏是填充IC或三极管与散热片之间的空隙，增大它们之间的接触面积， 达到更好的散热效果。

纳米AlN粉体可以大幅度提高塑料的导热率。通过实验产品以5—10%的比例添加到塑料中，可以使塑料的导热率从原来的0.3提高到5。导热率提高了16倍多。相比较目前市场上的导热填料（氧化铝或氧化镁等）具有添加量低，对制品的机械性能有提高作用，导热效果提高更明显等特点。目前相关应用厂家已经大规模采购纳米氮化铝粉体，新型的纳米导热塑料将投放市场。

纳米AlN粉体与硅匹配性能好，在橡胶中容易分散，在不影响橡胶的机械性能的前提下（实验证明对橡胶的机械性能还有提高作用）可大幅度提升硅橡胶的导热率，在添加过程中不像氧化物等使黏度上升很快，添加量很小（根据导热要求一般在5%左右就可以使导热率提高50%-70%），现广泛应用与军事，航空以及信息工程中。

(3 )涂层材料

纳米材料用作涂层可提高工件的耐磨性、抗剥蚀性和抗氧化能力。研究表明，用纳米SiC、ZrC、TiC、TiN、B4C粉作为金属表面上的复合涂层可以获得超强耐磨性和自润滑性，其耐磨

性要比轴承钢高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等。在液体火箭发动机关键零组件中应用纳米技术，大大拓展了这些零件的使用范围。如在重载、高DN值轴承表面上采用纳米级材料粉末涂层，可提高其寿命和可靠性。在动密封和其他具有相对运动的摩擦副面喷镀上一层纳米级金属或非金属粉末就能极大地提高它们的抗磨损、耐高温和防腐蚀性;采用纳米磁性材料，探索发动机新型密封结构，可使发动机密封发生根本性改变等。这些技术在80年代研制的发动机上已得到应用，效果良好。将纳米技术应用在液浮轴承中，会使轴承的寿命和可靠性成百倍提高。涡轮盘是发动机中最关键的零件，它是在高温、高压、高速条件下工作，失效率很高。如果采用纳米级粉末冶金制造，将大幅度提高涡轮盘的强度和耐高温性能。推力室的内壁冷却和抗高温是发动机的关键技术，经常因为推力室的冷却和抗高温问题而降低发动机的性能，如果采用纳米级金属粉末涂镀在推力室内壁上，就可以解决这个问题。

用纳米SiC、ZrC、TiC、TiN、B4C粉还可以作为模具、切削刀具、汽轮机叶片、涡轮转

子以及汽缸内壁涂层， 耐热涂层，散热表面涂层，防腐涂层及吸波涂层等。

(4) 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。纳米粒子加人橡胶能极大地改善其力学性能。纳米A1N 粒子与橡胶复合可以提高其介电性和耐磨性。添加纳米SiN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SiN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SiN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SiN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SiN能使其拉伸强度提高1-4倍，并改善其耐磨性和密封性。

(5) 固体推进剂

将纳米金属粉添加到火箭固体推进剂中，可以显著改进推进剂的燃烧性能。美国、俄罗斯等在火箭固体推进剂中添加纳米级Al或Ni粉，燃烧效率得到较大提高，燃速显著增大。含有Alex推进剂的燃速比含有常规铝粉推进剂的高5-20倍。含有Alex的AP基推进剂燃烧完全,并没有残留。在固液混合火箭发动机中的固体燃料中添加20%(质量分数)Alex粉末的HTPB基的固体燃料，其燃速提高70%。