第8講 納米材料在航空航天領域的應用

1、納米材料在航空航天領域中的應用納米材料在航空航天領域中的應用 納米材料在航空航天領域中的應用納米材料在航空航天領域中的應用 根據(jù)構成材料的化學結合鍵的類型分：n 金屬材料n 無機非金屬材料n 高分子材料n 復合材料材料的各種不同的分類方法l 按材料的性質(zhì)和用途，大致分為： 結構材料 功能材料?！叭愣αⅰ?，構成現(xiàn)代工業(yè)的三大材料體系。金屬材料的歷史與未來：p銅的發(fā)現(xiàn)：公元前3500年；以后發(fā)展了冶煉青銅（Cu-Sn合金）的技術；p煉鐵技術：公元前1000年；以后發(fā)展了滲碳法煉鋼。最近，傳統(tǒng)金屬材料的用量明顯下降，大量新型金屬大量新型金屬材料的發(fā)現(xiàn)拓寬了金屬材料的使用范圍材料的發(fā)現(xiàn)拓寬了金屬材料

2、的使用范圍-金屬材料的基本特性有哪些？q結合鍵為金屬鍵，常規(guī)方法生產(chǎn)的金屬為晶體結構；q在常溫下一般為固體，熔點較高；q具有金屬光澤；q純金屬范性大，展性、延性大；q強度較高；q導熱和導電性好；q在空氣中易被氧化。汽車工業(yè)汽車工業(yè)分類： 硼化物陶瓷 功能陶瓷 高溫結構陶瓷氧化物陶瓷氮化物陶瓷碳化物陶瓷 最古老的材料技術：公元前一萬年，古人就學會了以粘土為原料成型后經(jīng)火燒制成陶器的技術； 瓷器、容器、器皿。 現(xiàn)代具有特殊性能的陶瓷稱為先進陶瓷或精細陶瓷、特種陶瓷。 典型性能：典型性能：高溫力學性能；高溫穩(wěn)定性能；電學性能；光學性能；功能轉(zhuǎn)換性能。陶瓷材料特殊環(huán)境舍我其誰?石器石器陶器藝術陶瓷藝術

3、陶瓷 -結晶釉結晶釉p化學鍵為離子鍵、共價鍵以及它們的混合鍵；p硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺陷敏感；p熔點較高，具有優(yōu)良的耐高溫、抗氧化性能；p自由電子數(shù)目少，導熱和導電性較??；p耐化學腐蝕性好；p耐磨損；p成型方式為粉末制坯、燒結成型。一一些些典典型型的的現(xiàn)現(xiàn)代代陶陶瓷瓷功能陶瓷材料在汽車上的應用功能陶瓷材料在汽車上的應用氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷氧化鋁陶瓷器件氧化鋁陶瓷器件高技術產(chǎn)品及其應用高技術產(chǎn)品及其應用高分子/聚合物材料：p由成千上萬個重復性的單元小分子通過共價鍵連接而成的大分子，分子量104106。p分子量沒有一個特定值而只有一個分布范圍。p源于自然，高于自然聚丙烯結構式聚丙烯結構式

4、麻的使用麻的使用高分子科學是一門年輕的學科，但人類使用高分子材料則可追溯到遠古時期：天然聚合物天然聚合物麻黃麻黃自然界的天然聚合物馬馬王王堆堆漢漢墓墓出出土土的的絲絲綢綢天天然然橡橡膠膠塑塑料料的的應應用用雜雜鏈鏈聚聚合合物物結結構構模模型型圖圖四類材料的餅圖1、金屬材料金屬材料2、無機非金屬材料、無機非金屬材料3、高分子材料、高分子材料4、復合材料、復合材料材料的復合結構：幾種典型的分散復合結構幾種典型的分散復合結構納米材料在航空航天有著極其廣泛的應用前景: 納米結構材料 ; 納米功能材料; 納米粉體 ; 納米涂層航空材料有哪些？機載設備材料和武器航空材料包括：飛機機體材料發(fā)動機材料大量采用

5、高比強度和高比模量的輕質(zhì)材料， 提高飛機的結構效率，降低結構重量系數(shù)。飛機的心臟，針對高溫材料的發(fā)展需求，開發(fā)高推重比材料。各種微電子、光電子、傳感器等的的光、電、聲、磁、熱的多功能材料?；鸺l(fā)射火箭發(fā)射航天材料有哪些？彈頭材料彈頭材料設計：減輕重量，耐熱問題（熱障，8000-10000K，10MPa） 航天功能材料航天材料包括：運載火箭及導彈材料航天飛行器材料要求：減輕重量,絕對的可靠性；“為減輕每一克重量而奮斗”。運載火箭箭體材料、導彈彈頭材料、發(fā)動機材料衛(wèi)星、空間站、載人飛船等的材料控制系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感、遙控和跟蹤所需材料航空航天技術的發(fā)展對材料科學提出的新要求： l 高強度l 低的密度l

6、 耐高溫(部分材料)l 耐腐蝕(部分材料)l 耐摩擦(部分材料)l 耐高壓等性能(部分材料)航空航天飛行器在飛行時不同部位的溫度 制造飛機及航天器的主要結構材料包括：p金屬材料金屬材料（鋁合金、鎂合金、鈦合金、鋰合金、合金鋼等）p非金屬非金屬材料（特種陶瓷等）p高分子材料高分子材料（工程塑料、纖維復合材料等）p復合材料復合材料（各類復合材料等） p機身及其輔助裝置；機身及其輔助裝置；p機翼；機翼；p發(fā)動機及其部件；發(fā)動機及其部件；p螺旋漿；螺旋漿；p火箭噴嘴；火箭噴嘴；p點火器等。點火器等。納米結構材料正廣泛用于航空航天飛行器中：納米結構材料正廣泛用于航空航天飛行器中： (1) 納米金屬納米金

7、屬及其及其復合結構材料復合結構材料 (3) 納米焊接納米焊接 自身潛力遠未窮近。黑色金屬黑色金屬：鐵和以鐵為基的合金（碳鋼、鑄鐵、鐵合金）有色金屬有色金屬：黑色金屬(Fe、Cr、Mn)以外的所有金屬及其合金。n重金屬n輕金屬n貴金屬n稀有金屬合金合金兩種或兩種以上金屬元素構成以構成材料的元素種類分：以材料組分的復雜程度分：純金屬純金屬（銅，鉛，鋁，鈦）金屬材料的分類金屬材料的分類現(xiàn)代各種軍用和民用飛機及航天器結構用材的新格局：n鋁合金為主，n鋼用量明顯減少，n鈦合金用量明顯增加。l鋁合金鋁合金 質(zhì)量輕，強度高，傳統(tǒng)的飛機或飛行器蒙皮材料；（新 ）鋁-鋰，鋁-鈧。l鈦合金鈦合金 比強度高(是鋁合

8、金的5倍）,發(fā)動機和飛機構架上。 “未來的金屬”l超合金超合金 鎳基、鐵基和鈷基合金的總稱l復合材料復合材料 金屬基復合材料、樹脂基復合材料、C-C復合材料、梯度功能材料蒙皮翼肋加強隔框起落架機翼后梁機翼前梁鋁合金飛機鋁合金飛機高溫粉冶鋁合金在減輕飛行器重量、降低成本和可保養(yǎng)性等方面具有明顯的優(yōu)勢。典型鋁合金：Al-0.071Fe-0.06Ce,Al-0.08Fe-0.01V-0.01Si鈦及其合金 “未來的金屬”p航空工業(yè)：飛機機身和蒙皮、發(fā)動機、尾錐、噴管、彈射艙、防火壁、夾層結構機身機架、連結件和其它零件。p宇宙航行工業(yè)：飛船的液體燃料貯箱、高壓容器、船艙、蒙皮、結構骨架、制動火箭主起落

9、架、火箭、導彈高壓容器、液體燃料貯箱、外殼、噴嘴、火箭發(fā)動機。 具有重量輕、強度大、耐熱性強、耐腐蝕等許多具有重量輕、強度大、耐熱性強、耐腐蝕等許多優(yōu)特性，是具有發(fā)展前途的新型結構材料。優(yōu)特性，是具有發(fā)展前途的新型結構材料。制造飛機和航天器的主要結構材料馬赫數(shù)與用材的一般規(guī)馬赫數(shù)與用材的一般規(guī)律：律：3.5：發(fā)動機入口溫度已很高，需用超級合金了，但其機身用鈦量則顯著增加。2：飛機發(fā)動機使用一部分鈦及其合金，機身一般用鋁合金。=2：其發(fā)動機用鈦量增加，而且機身也部分需要用鈦。鈦和鈦合金：“航空金屬”。強度高、耐熱性和耐腐蝕性好。主要用于飛機發(fā)動機和機身。典型鈦合金：Ti-0.06Al-0.04V

10、如：密度只有約鋁合金50%的鋰-鎂合金等，以其塑性好、強度高等特性開始大量用作導彈、宇宙飛船的結構材料。為了進一步提高這些新型合金的性能，納米相及納米金屬間化合物彌散補強合金的研究已引起各國科技人員的關注。 采用納米金屬及其復合結構材料納米金屬及其復合結構材料的原因：納米增韌補強的新型納米增韌補強的新型復合結構材料復合結構材料將可大幅度提高將可大幅度提高材料的強度，降低材料的用量，減輕飛行器的質(zhì)量，材料的強度，降低材料的用量，減輕飛行器的質(zhì)量，從而提高飛行器的飛行速度和性能。從而提高飛行器的飛行速度和性能。（ y 為屈服應力， o是移動單個位錯所需的克服點陣摩擦的力，K是常數(shù)，d是平均晶粒尺寸

11、）。還記得 Hall-Perch(H-P)關系嗎？表明：隨晶粒尺寸的減小，屈服強度和硬度是增加的，它們都與d-1/2成線性關系，同時保持良好的塑性和韌性。當晶粒減小到納米級時，材料的強度和硬度隨粒徑的減小而增大，近似遵從經(jīng)典的Hall-Petch關系式，即： y= o+Kd-1/2。如果用硬度來表示，關系式可表示如下 ： H=Ho+Kd-1/2 構成金屬材料的晶粒尺寸減小到納米量級，材料在室溫下應具備很好的塑性變形能力納米晶銅，在室溫下冷軋竟從1厘米左右的長度延伸到近1米，厚度也從1毫米成為20微米（圖下方）。室溫下的超塑性變形達50多倍而沒有出現(xiàn)裂紋。金屬材料強度與韌性的關系納米金屬的典型應

12、用p例1. 6nm的鐵晶體壓制而成納米鐵材料，比普通鋼鐵強度提高12倍，硬度提高23個數(shù)量級，可以制成高強度、高韌性的特殊鋼材。p例2. 納米銅或納米鈀的塊體材料的硬度比起常規(guī)材料來足足提高了50倍，屈服強度也提高了12倍。p例3. 納米Co-WC的硬度比普通Co-WC提高1倍以上，且韌性和耐磨性均顯著改善。納米金屬的典型應用p例4 . 納米鋁合金和鎂合金及其納米金屬間化合物彌散補強的新型材料大幅度提高材料強度，減輕飛行器的質(zhì)量，從而提高飛行器的速度與性能。p例5 .納米氧化物彌散強化高溫合金具有良好的高溫強度、優(yōu)異的抗氧化、耐摩擦以及耐高溫腐蝕等性能，已部分用于航空發(fā)動機導向葉片、渦輪工作葉

13、片。幾種納米金屬及其特殊用途：p納米鐵納米鐵；高性能磁記錄材料；磁流體；吸波材料；導磁漿料；納米導向劑。 p納米銅納米銅；金屬和非金屬的表面導電涂層處理；高效催化劑；導電漿料。 p納米鎳納米鎳；磁流體；高效催化劑；高效助燃劑；導電漿料；高性能電極材料；活化燒結添加劑；金屬和非金屬的表面導電涂層處理。 p納米鈷納米鈷；高密度磁記錄材料；磁流體；吸波材料。 p納米鋅納米鋅；高效催化劑。 金屬基納米復合材料與技術p金屬基納米復合材料的制備：金屬基納米復合材料的制備：n擠出法 如高強度鋁合金Al-Ni-Mn合金。將納米級的粉末真空脫氣后封管，在400度左右溫度下擠出，制成20100mm的材料。擠出材的

14、組織為3050nm的Al3Ni及10nm的Al11Mn2均勻分散于Al的母相中的納米復合相。n非晶態(tài)合金晶化法 由非晶態(tài)合金的結晶化處理得到晶體-非晶態(tài)納米組織。如及急冷時控制冷卻速度、含非晶態(tài)相的合金再進行熱處理的方法等。n機械合金化結合加壓成塊法 把組成顆粒不斷反復冷焊和斷裂，制成納米粉末，再使用熱壓等技術制成納米復合材料。金屬基納米復合材料與技術p金屬基納米復合材料的制備：金屬基納米復合材料的制備：n循環(huán)塑性變形細化晶粒法 如日本京都大學用Ag-Cu70%循環(huán)加壓變形100次得到細小組織的過飽和合金，以及將Cu-Fe反復加壓制成塊狀金屬層狀復合材料，每層厚度530nm。n燒結法 制備金屬

15、基納米復合材料。如將鋁粉和AlN顆粒尺寸降至3040nm，制備好的混合粉末在大的壓力下熱壓燒結，可得高密度納米復合材料。金屬基納米復合材料與技術p金屬基納米復合材料的力學性能的改善和應用：金屬基納米復合材料的力學性能的改善和應用：p力學性能：包括彈性摸量、彈性延伸、拉伸（壓縮）強度、伸長率和沖擊韌性。p母相粒徑為3040nm以上時，納米復合材料屈服強度增加：由母相晶粒的細化和第二相分散強化造成。p母相粒徑為3040nm以下時，Hull-pitch關系不成立，反而是晶粒尺寸減小，屈服應力減小。原因：因為粒徑為3040nm以下時，晶界滑移起支配作用，晶界不起晶內(nèi)的滑移位錯的聚集點反而是位錯的消滅點

16、。還有30nm以下的晶粒內(nèi)基本不存在位錯，而且很容易在晶界消減。這些都是強度降低的原因。金屬基納米復合材料與技術p金屬基納米復合材料的力學性能的改善和應用：金屬基納米復合材料的力學性能的改善和應用：p由納米金屬顆粒析出而造成的異常強化現(xiàn)象的原因：p 約10nm以下的微小金屬顆粒內(nèi)部不能產(chǎn)生位錯，是不含缺陷的完整顆粒，具有與理想強度相近的強度；金屬納米顆?？捎行б种品蔷B(tài)相的剪切變形；非晶態(tài)/結晶界面可認為是液態(tài)/固態(tài)界面，其界面能比固態(tài)/固態(tài)界面能低1個數(shù)量級，處于不含過剩空孔的高密度原子排列狀態(tài)，導致裂紋不易產(chǎn)生。金屬基納米復合材料與技術p主成分為Al-Ni-Mn系合金經(jīng)擠出法，形成納米復合

17、材料。擠出材的性能與擠出條件關系很大。p密度為2.93.2g/cm3，彈性模量8594GPa，2%屈服強度600850MPa，塑性伸長率1.510%，V形缺口沖擊韌性58J/cm2，耐熱強度500MPa（200度），259MPa（300度），107循環(huán)后室溫疲勞強度270MPa，150度時220MPa。p這種納米結晶的鋁合金的比強度和比鋼性超過商用的鋁合金、不銹鋼甚至鈦合金。利用這些特性，可以制作高速運動的機械部件、機器人部件、體育用品和模具。舉例-高比強度鋁合金(2) “發(fā)汗發(fā)汗”金屬金屬n出汗是生物體一種常見的現(xiàn)象，出汗有著重要的生理作用，其主要作用之一是調(diào)節(jié)體溫，通過汗液的蒸發(fā)帶走部分熱

18、量。n問題：在航空航天技術中，人們能否向生物學習，研制出 “發(fā)汗” 金屬，使其在高溫下出汗散發(fā)熱量呢？在通過火箭作為運載工具，將衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機發(fā)射到天空時，由于火箭燃燒室內(nèi)化學燃料燃燒時產(chǎn)生高溫高壓氣體，通過噴嘴高速向后噴射產(chǎn)生巨大的反作用力，從而推動火箭體高速飛行，飛行速度可高達4000 m/s。金屬焊接通常都是在高于金屬熔點的高溫下進行，但是，對于飛行器外殼或其他部件的焊接將是非常困難的，為了保證相關儀表及傳感器不受影響，只有采用納米焊接。 俄羅斯科學院專家們利用納米焊接技術對“和平號”太空站的外殼裂紋及儀表等進行了多次成功的納米焊接修補。使和平號太空站的服役時間延長了近3倍。納

19、米焊接的應用n左：俄羅斯“和平號” 站，世界上第一個長久性空間站。其核心艙于1986年2月20日發(fā)射，能提供基本的服務、航天員居住、生保、電力和科學研究能力。聯(lián)盟-TM載人飛船為和平號接送航天員，進步-M貨運飛船則為和平號運貨。n右：新一代空間站:國際空間站金屬材料，部分特殊的陶瓷材料p 在用于加工某些高熔點、難成形的陶瓷時，只要將陶瓷加工成納米粉末，便只需用不高的溫度即可將其熔化并燒結成耐高溫的元件。這對研制新一代高速發(fā)動機來說是一個很好的選擇，因為要提高發(fā)動機的效率需要提高燃氣的溫度，而這需要能承受超高溫的材料。1、納米粉體對陶瓷燒結過程的影響；2、納米粉體在陶瓷改性中的應用l特殊環(huán)境舍我

20、其誰? 以其良好的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、高強以其良好的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、高強度、高硬度等性能，廣泛用作航空航天飛行器和度、高硬度等性能，廣泛用作航空航天飛行器和火箭等的發(fā)動機、燃燒室等熱阻型高強材料和耐火箭等的發(fā)動機、燃燒室等熱阻型高強材料和耐高溫涂層材料等。高溫涂層材料等。根據(jù)不同種類材料的理化性能、尺寸及外形、并考慮有關工藝因素，制定相應的配方，確定材料的原料組成。1、納米粉體對陶瓷燒結過程的影響：陶瓷的制造工藝混合和塑化處理混合和塑化處理成型成型燒結燒結使兩種以上不均勻物料的成分和顆粒度均勻化，促進顆粒接觸和塑化的操作過程。泥料或熔液借助外力和模型，成為具有一定尺寸、形狀和強度的

21、坯體或制品的過程。使陶瓷坯體致密化，并使之成為具有某種顯微結構的步驟。主要影響因素：粉末顆粒的尺寸和活性；添加劑；溫度；保溫時間；壓力；氣氛。 氣相法、液相法、高能球磨法等。 氣相法包括：惰性氣體冷凝法、等離子法、氣體高溫裂解法、電子束蒸發(fā)法等； 液相法包括：化學沉淀法、醇鹽水解法、溶膠-凝膠法、水熱法等。納米陶瓷粉體的制備方法主要有：1、納米粉體對陶瓷燒結過程的影響： 在燒結過程中，實現(xiàn)致密化的關鍵是物質(zhì)的遷移，即擴散和流動。流動只能在出現(xiàn)液相時才能進行，因此，對于難燒結的陶瓷，引進添加劑，促進液相生成是非常重要的。擴散對于致密化是非常重要的，一般認為陶瓷燒結主要還是依靠表面與界面的擴散以及晶內(nèi)擴散等擴散機理來進行的。擴散的路徑很多，它可以通過顆粒內(nèi)部表面粒界，也可通過氣相或液相來進行。在粉末體系中，擴散傳質(zhì)過程的速率顯然與粒子間的接觸面積密切相關。rP2l燒結過程的主要驅(qū)動力：粉料表面能引起的表面應力。n 式中，r 為表面曲率半徑；為表面能。n 粒子尺寸越小，P 越大，燒結越容易進行。 納米微粒顆粒小，比表面及表面能大并有高的擴散速率，因而用納米粉體進行燒結，致密化的速度快，還可以降低燒結溫度。 目前材料科學