纳米技术在航天领域中的应用

序列号：16课程论文课程名称21世纪高新技术题目名称纳米技术在航天领域中的应用学生学院管理学院专业班级电子商务1班学号3113004743学生姓名陈昌桐指导教师曹晓国2015年11月3日摘要本文初步介绍纳米技术、纳米材料及其结构在航天领域中的应用，综述了纳米卫星、纳米碳管、纳米面料、纳米流体等航天领域的应用，重点介绍纳米材料在航天器的结构材料和功能材料方面的应用。可以预料，纳米技术的应用在航天领域有着相当广阔的前景。关键词纳米技术；纳米材料；航天；纳米卫星；正文引言纳米材料由于具有独特的小尺寸效应而表现出不同于传统材料的物理和化学性质。利用纳米材料这些独特的性质，可对传统材料进行改性，进而开发出更高性能的材料，以满足传统材料所不能达到的要求，尤其是满足航天航空领域对材料性能的特殊要求。一、纳米技术的介绍纳米技术（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，它是现代科学和现代技术结合的产物，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、航天技术的简介航天科学技术是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。三、纳米技术对航天业的影响首先是为航天业从宏观向微观发展提供了可能。专用微型集成器将取代现有航天器和运载火箭上使用的有关系统，最终将在航天系统引发一场技术革命，导致微型卫星乃至“纳米卫星”的问世。其次是纳米技术的使用，将对原有的航天业的制造方法、实验手段、研究方式带来巨大冲击，怎样才能将纳米技术引入到航天领域的制造方法、实验手段和研究方式中呢?纳米技术在航天领域中的应用一、纳米卫星纳米卫星，又叫“纳星”，通常指重量小于10公斤、具有实际应用价值的卫星。纳米卫星的概念最早由美国宇航公司于1993年提出，未来重量可以实现降低到0.1公斤以下。利用微电子机械和纳米电子技术制造的惯性检测元件、换能器、射频元件、光学元件、电源系统及各种传感器核芯片作为星载设备，可使卫星的体积和重量大大减小。由于它的部件都集成在芯片上，故也称为“芯片级卫星”。用一枚小型运载火箭一次可以发射数百枚到上千枚的这种卫星，从而使航天器的发射费用从目前的每磅一万美元降至约200美元。1995年，美国开始研制纳米卫星。这种卫星比麻雀略为大些，所用元器件全部为纳米材料制成。由于纳米卫星性能好，可靠性强，故它在通信领域、军事领域、对地观测、科学研究等方面有广泛的应用前景。为降低发射费用，纳米卫星常采用一箭多星的发射方式进行发射，目前已经发射的包括：俄罗斯的SPUTNIK-2卫星、美国的AUSat卫星和PICOSAT卫星，以及英国的SNAP-1卫星等。纳米卫星的功能多样。QuakeSat卫星可以使用磁力计对高空的低频磁场等进行研究，用以对地震进行分析预测。日本东京大学的XI-IV纳米卫星就使用CMOS相机对地球和太阳影像进行拍照，英国萨瑞公司的SNAP-1型卫星可对其它卫星拍照，用以判断在轨航天器的完好状态和工作能力。nCube卫星可以接收船只的广播AIS信号，提供船只的方位、位置等信息，确保船舶航行安全。此外，纳米卫星组成的卫星网络在应急通信领域也具有巨大的潜在优势。目前在国际纳米卫星研究领域，美国处于技术领先地位。2002年12月，美国“奋进”号航天飞机就发射了两颗只有2磅重的纳米卫星。从2003年开始，美国空军和国防高级研究计划局开始研发新一代低成本军用纳米卫星，并于近几年相继交付。二、纳米碳管———太空缆绳碳纳米管由日本科学家于1991年研究发现，是由Sp2杂化碳原子排列成的石墨片层卷曲而成，具有纳米级一维管状结构的纳米碳材料。理论预测和实验结果均表明：CNT具有超高的强度、模量和韧性，其弹性模量高达1TPa，拉伸强度超过100GPa，断裂伸长率达到15%-30%。纳米碳管具有强度高、质量轻、性能稳定、柔软灵活、导热性好、表面积大及许多奇异的电子性质等特点。单个纳米碳管的直径只1.4nm，5万个纳米碳管并排在一起仅相当于一根头发丝的直径。它可能成为未来理想的超级纤维。纳米碳管的一种可能具有突破性的应用，是用于太空升降机。用其做成的太空缆绳，与钢或其他特质不同的关键是它能支持住自身的质量而不会断掉。这就提供了一种把人或物品提升到外层太空的可能方法，也许将成为人类移居外星球的最理想方法。2013年，中国清华大学魏飞教授团队成功制备出单根长度达半米以上的碳纳米管，创造了新世界纪录，对于碳纳米管的生长而言，其高温生长过程中催化剂的失活是一个不可逆的规律，从而限制了碳纳米管的长度；因此尽可能地提高其催化剂活性概率是进一步提高碳纳米管长度的唯一途径。三、纳米军服面料和纳米纤维利用特殊的纳米技术对传统的材料进行处理，形成相互交错混杂的具有互特性的二维纳米相区，使原来无法兼容的特性通过它低度的相互协同作用表现出来，从而生产出功能强大的新型军用服面料。这种新型军服具有抗紫外线、吸收红外线、抗老化和热老化，以及减轻、保暖、隔热的作用。由于纳米材料具有小尺寸效应及宏观量子效应，将大幅度地提高材料的弹性、强度、耐磨性和稳定性。二维协同纳米技术的运用，使军服不但防油、防水、抗菌、抗污，清洁起来也极其简便，穿着也柔软舒适，更加适应野战条件下的要求。此类军服所需面料，在理论上已得到证实，现正加紧应用研究。在这一领域我国处于世界先进水平行列。四、纳米流体流动强化传热航天器中安装有借助于液体工质单相对流换热实现热控制的泵驱动液体回路系统实现舱内温度指标的控制。液体回路系统的质量及功耗在压力舱内占有较大比例，而新型航天器(如大型航天器、无人自主深空探测器、小卫星和纳米卫星等)的研制需求日益迫切，航天器的电子器件及设备的功率日趋增大，对航天器热控制技术和液体回路系统提出了更新更高的要求，加上航天器所处的空间电子器件散热困难。传统的纯液体工质和常规的散热措施难以满足热负荷日益增长的航天器热控系统的需要。目前，航天器液体回路系统采用的传热工质是一种冰点低、比热大、粘度小、无毒的化合物，具有适合在航天器中使用的独特优点，但由于它的导热系数极低，很难满足航天器不断增长的高强度、高负荷传热的要求。纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成一类新的传热工质。已进行的研究表明，在水、乙二醇等常规液体中添加纳米粒子，可以显著增加液体的导热系数和对流换热系数，显示了纳米流体在强化传热领域具有广阔的应用前景。实验研究已证明，纳米流体强化传热技术应用于航天器热控系统是可行的。五、纳米材料在航天器材料上的应用(一)纳米材料在航天器功能材料上的应用(1)金属及金属基复合材料晶粒细化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，而且也是提高金属材料强度最有效的方法之一。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，利用添加纳米陶瓷来增强金属合金基材料的方法，就是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)均匀分散于合金中，例如，将纳米碳化硅、纳米氮化硅、纳米氮化钦、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。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。研究发现，在航天领域使用较多的金属材料Al、Ti，采用纳米材料增强后，其强度有较大提高，同时重量有较大降低，有望在航天舱体结构材料上得到应用。(2)聚合物基复合材料纳米粒子加入聚合物基体后，可提高其耐磨性、硬度、强度和耐热性等性能。举例说明，在酚醛树脂中加入5%左右的某纳米粉，除层剪强度无显著提高外，玻璃钢的拉伸强度、弯曲强度、弹性模量等力学性能均有显著提高，并且线烧蚀率显著下降。北京玻璃钢研究院的研究表明，将某些纳米粒子掺入树脂体系，对玻璃钢的耐烧蚀性能大大提高。这些研究对于提高导弹武器酚醛防热烧蚀材料性能、改善武器系统工作环境、提高武器系统突防能力有着深远影响。像纳米氮化铝应用于环氧树脂，玻璃化转变温度提高，弹性模量达到极大值。将纳米氮化铝添加到环氧树脂中制得的复合材料，在结构上完全不同于添加粗晶的氮化铝-环氧树脂基复合材料：粗晶氮化铝一般作为补强剂加入，其主要分布在高分子材料的链间，而纳米氮化铝由于表面严重的配位不足、庞大的比表面积使其表现出极强的活性，同时，尚有一部分纳米氮化铝颗粒分布在高分子链的空隙中。与粗晶氮化铝相比，纳米氮化铝具有很高的流动性，可使环氧树脂的强度、韧性及延展性均大幅提高。(3)工程塑料及其它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。工程塑料与纳米粒子复合材料就是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。少量纳米氮化钦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。而大量纳米氮化钦颗粒弥散于PET中，可大幅提高PET工程塑料的耐磨性和抗冲击性能。另外的像还有工程塑料与纳米磁性金属及其氮化物复合材料，纳米磁性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，有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NdFeB材料。日本于1988年研制成功的纳米软磁材料“Finemet”，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。而工程塑料与纳米磁性金属复合材料则具有特殊的光电功能(对电磁波有特殊的吸收作用)和优良的磁性能及导电性，可广泛应用于军事、航空航天、电子通讯等高技术领域。比如用偶联剂进行表面处理后的纳米碳化硅，在添加量为10%左右时，可大大改善和提高PI聚酞亚胺)、PEEK(聚醚醚酮)、PTFE(聚四氟乙烯)等特种塑料的性能，全面提高材料的耐磨、导热、绝缘、抗拉伸、耐冲击、耐高温等性能。(4)陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体，与各种纳米材料复合制得的材料。陶瓷基体包括氮化硅、碳化硅等。这些先进陶瓷具有耐高温、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。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，其强度和韧性约提高2～4倍。新型陶瓷材料具有优异的高温强度、耐磨性、耐热性和耐蚀性，是固体发动机碳/碳喷管和燃烧室之间的热结构绝热连接件的理想材料，还可用于喷管出口锥有关部件。把纳米粉末引入陶瓷基体中制成颗粒增强复合材料可极大地提高材料的强度、韧性和高温性能，使之成为很有前途的高温结构材料，有可能用于未来的热机和航天热防护。陶瓷基复合材料己实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。例如，纳米氮化硅掺杂制造的精密陶瓷结构器件可用于冶金、化工、机械、航空、航天及能源等行业中使用的滚动轴承