納米材料航天應(yīng)用

1、納米材料定義：納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1-100nm ）或由它們作為基本單元 構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。納米材料特性特性：（1）表面與界面效應(yīng)這是指納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。例如粒子直徑為10納米時(shí)，微粒包含4000 個(gè)原子，表面原子占40%；粒子直徑為1納米時(shí)，微粒包含有30個(gè)原子，表面原子占99%。 主要原因就在于直徑減少，表面原子數(shù)量增多。再例如，粒子直徑為10納米和5納米時(shí)， 比表面積分別為90米2/克和180米2/克。如此高的比表面積會(huì)出現(xiàn)一些極為奇特的現(xiàn)象， 如金屬納

2、米粒子在空中會(huì)燃燒，無(wú)機(jī)納米粒子會(huì)吸附氣體等等。（2）小尺寸效應(yīng)當(dāng)納米微粒尺寸與光波波長(zhǎng)，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度、透射深度等物理 特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學(xué)等性能 呈現(xiàn)出“新奇”的現(xiàn)象。例如，銅顆粒達(dá)到納米尺寸時(shí)就變得不能導(dǎo)電；絕緣的二氧化硅顆 粒在20納米時(shí)卻開(kāi)始導(dǎo)電。再譬如，高分子材料加納米材料制成的刀具比金鋼石制品還要 堅(jiān)硬。利用這些特性，可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?，此外又有可能?yīng)用于紅外 敏感元件、紅外隱身技術(shù)等等。（3）量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子的尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由連續(xù)態(tài)分裂成分立能級(jí)。當(dāng)能

3、級(jí)間距大于熱能、磁能、靜電 能、靜磁能、光子能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，會(huì)出現(xiàn)納米材料的量子效應(yīng)，從而使其磁、光、 聲、熱、電、超導(dǎo)電性能變化。例如，有種金屬納米粒子吸收光線(xiàn)能力非常強(qiáng)，在1.1365 千克水里只要放入千分之一這種粒子，水就會(huì)變得完全不透明。（4）宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱(chēng)為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過(guò)宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，這種被稱(chēng)為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。納米材料發(fā)展：納米技術(shù)的靈感，來(lái)自于已故物理學(xué)家理查德費(fèi)曼1959年所作的一次題為在底部還有 很大空間的演講。這位當(dāng)時(shí)在加州理工大學(xué)任教的教授向同事們提出了一個(gè)新的想法。從 石

4、器時(shí)代開(kāi)始，人類(lèi)從磨尖箭頭到光刻芯片的所有技術(shù)，都與一次性地削去或者融合數(shù)以?xún)| 計(jì)的原子以便把物質(zhì)做成有用的形態(tài)有關(guān)。范曼質(zhì)問(wèn)道，為什么我們不可以從另外一個(gè)角度 出發(fā)，從單個(gè)的分子甚至原子開(kāi)始進(jìn)行組裝，以達(dá)到我們的要求他說(shuō)：“至少依我看來(lái)，物 理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品的可能性?！?990年，IBM公司阿爾馬登研究中心的科學(xué)家成功地對(duì)單個(gè)的原子進(jìn)行了重排，納米技 術(shù)取得一項(xiàng)關(guān)鍵突破。他們使用一種稱(chēng)為掃描探針的設(shè)備慢慢地把35個(gè)原子移動(dòng)到各自的 位置，組成了 ibm三個(gè)字母。這證明范曼是正確的，二個(gè)字母加起來(lái)還沒(méi)有3個(gè)納米長(zhǎng)。 不久，科學(xué)家不僅能夠操縱單個(gè)的原子，而且還能夠“噴涂

5、原子”。使用分子束外延長(zhǎng)生長(zhǎng) 技術(shù)，科學(xué)家們學(xué)會(huì)了制造極薄的特殊晶體薄膜的方法，每次只造出一層分子。目前，制造 計(jì)算機(jī)硬盤(pán)讀寫(xiě)頭使用的就是這項(xiàng)技術(shù)。著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德-費(fèi)曼預(yù)言，人類(lèi)可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī) 器，最后將變成根據(jù)人類(lèi)意愿，逐個(gè)地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想；70年代，科學(xué)家開(kāi)始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想，1974年，科學(xué)家唐尼古奇最 早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工；1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具一一掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個(gè)可見(jiàn)的 原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用;1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)

6、議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù) 的正式誕生；1991年，碳納米管被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10倍， 成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來(lái)最佳纖維 的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線(xiàn)、超微開(kāi)關(guān)以及納米級(jí)電子線(xiàn)路等1993年，繼1989年美國(guó)斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫(xiě)”下斯坦福大學(xué)英文、1990年美國(guó)國(guó) 際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“ibm”之后，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn) 室自如地操縱原子成功寫(xiě)出“中國(guó)”二字，標(biāo)志著中國(guó)開(kāi)始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席 之地；1997年，美國(guó)科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利

7、用這種技術(shù)可望在20年后研制 成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬(wàn)倍的量子計(jì)算機(jī)；1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的“秤”它能夠稱(chēng) 量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量;此后不久，德國(guó)科學(xué)家研制出能稱(chēng)量單 個(gè)原子重量的秤，打破了美國(guó)和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄到1999年，納米技術(shù)逐步走向市場(chǎng)，全年基于納米產(chǎn)品的營(yíng)業(yè)額達(dá)到500億美元；近年來(lái)，一些國(guó)家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。日本設(shè) 立納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新5年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn);德國(guó)專(zhuān)門(mén)建立納米 技術(shù)研究網(wǎng);美國(guó)將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國(guó)政府部

8、門(mén)將納米科技基礎(chǔ)研 究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。2003年，納米技術(shù)在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面都取得了突破性進(jìn)展。如：美國(guó)利用超高 密度晶格和電路制作新方法，獲得高密度的鉑納米線(xiàn)；日本用單層碳納米管與有機(jī)熔鹽制成 高度導(dǎo)電的聚合物納米管復(fù)合材料等。納米材料缺點(diǎn)生產(chǎn)出來(lái)的成本高，應(yīng)用不廣泛，同時(shí)生產(chǎn)出來(lái)的納米產(chǎn)品的毒理學(xué)沒(méi)有廣泛的深入，在某 種意義上講一些東西處于探索階段前言納米材料由于具有獨(dú)特的小尺寸效應(yīng)而表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。利用 納米材料這些獨(dú)特的性質(zhì)?？蓪?duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行改性，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出更高性能的材料.開(kāi)辟出新 的材料生產(chǎn)途徑.以滿(mǎn)

9、足傳統(tǒng)材料所不能達(dá)到的要求.尤其是滿(mǎn)足航天航空領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅?的特殊要求。應(yīng)用納米材料可減小航天器電子元器件的體積和質(zhì)量.并提高其可靠性。納米 材料的發(fā)展方向主要有功能納米材料及結(jié)構(gòu)納米材料納米材料在航天器結(jié)構(gòu)材料上的應(yīng)用 1 .金屬及金屬基復(fù)合材料晶粒細(xì)化是提高金屬材料強(qiáng)度最有效的方法之一。利用添加納米 陶瓷來(lái)增強(qiáng)金屬合金基材料的方法，就是把納米陶瓷粉體均勻分散于合金中.以提高合金的 成核速率.同時(shí)抑制晶粒長(zhǎng)大.從而起到晶粒細(xì)化的作用。抑制材料使用過(guò)程中微裂紋的擴(kuò) 展.提高產(chǎn)品的強(qiáng)度。例如，將納米碳化硅、納米氮化硅、納米氮化鈦、納米硅粉添加到金 屬基體(鋁、銅、銀、鋼、鐵等合金)中?？芍圃斐?/p>

10、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐熱性好的新型合金材 料。納米氮化鈦應(yīng)用于合金鋼、鐵納米氮化鈦具有硬度和熱穩(wěn)定性高、粒度小，以及分散性 好的特點(diǎn)。在鋼水冷卻結(jié)晶過(guò)程中.納米氮化鈦成為晶核相.可大大增加成核數(shù)量，減小晶 粒尺寸.達(dá)到細(xì)化合金晶粒的效果.使合金的綜合性能大大改善。納米碳化硅應(yīng)用于銀基復(fù)合材料通過(guò)向基體中加入均勻、細(xì)J. J，具有良好穩(wěn)定性的 顆粒.達(dá)到彌散強(qiáng)化合金的目的.是制備高強(qiáng)高導(dǎo)合金材料的重要途徑之一。納米碳化硅對(duì) 于銀合金來(lái)說(shuō)是一種有效的增強(qiáng)相.當(dāng)納米碳化硅的質(zhì)量百分含量為1%時(shí).強(qiáng)化效果佳.材 料的抗拉強(qiáng)度可達(dá)39IMPa.相對(duì)電導(dǎo)率為60. 2%，強(qiáng)度和耐磨性均有所提高。納米碳化硅彌散

11、強(qiáng)化銅基復(fù)合材料高強(qiáng)高導(dǎo)銅基復(fù)合材料在集成電路的引線(xiàn)框架各類(lèi) 點(diǎn)焊、滾焊機(jī)的電極、觸頭材料，電樞、電動(dòng)工具的換相器等電子設(shè)備中具有廣泛的用途。 但銅合金的高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性一直是一對(duì)互相矛盾的特性.一般只能在犧牲電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率 的前提下改善銅的力學(xué)性能，以獲得高強(qiáng)度。采用納米碳化硅穩(wěn)定彌散強(qiáng)化銅基材料是解決 這一矛盾的較好方法通過(guò)向基體中加入均勻、細(xì)小，具有良好穩(wěn)定性的納米碳化硅顆粒以 達(dá)到彌散強(qiáng)化銅合金的目的.已成為制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)。納米碳化鋯應(yīng)用于硬質(zhì)合金納米碳化鋯是一種重要的高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度和耐腐蝕的高溫結(jié) 構(gòu)材料納米碳化鋯用于硬質(zhì)合金材料中.可提高材料的強(qiáng)度和耐腐蝕性等性

12、能。聚合物基復(fù)合材料納米粒子加入聚合物基體后.可提高其耐磨性、硬度、強(qiáng)度和耐熱性 等性能納米氮化鋁應(yīng)用于環(huán)氧樹(shù)脂在納米氮化鋁一環(huán)氧樹(shù)脂體系中.納米氮化鋁的用量為1 % 5%時(shí).玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高.彈性模量達(dá)到極大值。將納米氮化鋁添)300環(huán)氧樹(shù)脂中制 得的復(fù)合材料.在結(jié)構(gòu)上完全不同于添加粗晶的氮化鋁一環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料：粗晶氮化鋁 一般作為補(bǔ)強(qiáng)劑加入.其主要分布在高分子材料的鏈間.而納米氮化鋁由于表面嚴(yán)重的配不 足、龐大的比表面積使其表現(xiàn)出極強(qiáng)的活性.同時(shí)。尚有一部分納米氮化鋁顆粒分布在高分 子鏈的空隙中。與粗晶氮化鋁相比.納米氮化鋁具有很高的流動(dòng)性.可使環(huán)氧樹(shù)脂的強(qiáng)度、 韌性及延展性均大幅提

13、高。納米碳化硅在橡膠輪胎中的應(yīng)用在橡膠輪胎中添加一定量的納米碳化硅.在不改變?cè)?膠配方的條件下進(jìn)行改性處理.可在不降低其原有性能和質(zhì)量的前提下.將耐磨性提高 15%30%。另外。納米碳化硅還可應(yīng)用于橡膠膠輥、打印機(jī)定影膜等需耐磨、散熱、耐溫 的橡膠產(chǎn)品中。-r-程塑料及其它復(fù)合材料納米材料與工程塑料復(fù)合既能提高工程塑料的固有性能.又可 賦予其高導(dǎo)電性、高阻隔性及優(yōu)良的光學(xué)性能等。因此。把納米材料應(yīng)用于工程塑料的改性.可進(jìn)一步拓寬工程塑料的應(yīng)用范圍。工程塑料，I內(nèi)米粒子復(fù)合材料采用納米粒子對(duì)有一定脆性的工程塑料增韌是改善工程 塑料韌性和強(qiáng)度等力學(xué)性能的一種行之有效的方法。只要納米粒子與基體樹(shù)脂

14、結(jié)合良好.2010 6軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品納米粒子也可承受拉伸應(yīng)力.增韌、增強(qiáng)作用明顯少量納米氮化 鈦粉體用于改性熱塑性工程塑料時(shí).可起到結(jié)晶成核劑的作用。將納米氮化鈦分散于乙二醇 中.通過(guò)聚合使納米氮化鈦更好地分散于PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)工程塑料中.可加快 PET工程塑料的結(jié)晶速率.使其成型簡(jiǎn)單.擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。而大量納米氮化鈦顆粒彌散 于PET中.可大幅提高PET工程塑料的耐磨性和抗沖擊性能。工程塑料/納米磁性金屬及其氮化物復(fù)合材料這種復(fù)合材料具有特殊的光電功能(對(duì)電磁波有特殊的吸收作用)和優(yōu)良的磁性能及導(dǎo)電性.可廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、 電子通訊等高技術(shù)領(lǐng)域用偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理后

15、的納米碳化硅.在添加量為10%左右時(shí). 可大大改善和提高PI(聚酰亞胺)、PEEK(聚醚醚酮)、PTFE (聚四氟乙烯)等特種塑料的性 能.全面提高材料的耐磨、導(dǎo)熱、絕緣、抗拉伸、耐沖擊、耐高溫等性能。陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體.與各種納米材料復(fù)合制得的材料。陶瓷基體包括氮化硅、碳化硅等。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、強(qiáng)度和硬度高、相對(duì)重量較輕、 抗腐蝕等優(yōu)異性能.而其致命的弱點(diǎn)是具有較強(qiáng)的脆性。在應(yīng)力作用下.會(huì)產(chǎn)生裂紋。甚至 斷裂導(dǎo)致材料失效而將納米材料與陶瓷基體復(fù)合.是提高陶瓷韌性和可靠性的一種有效方 法.可得到韌性?xún)?yōu)良的納米增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的

16、領(lǐng) 域有刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。例如，納米氮化硅摻雜制造的精密陶瓷結(jié) 構(gòu)器件可用于冶金、化工、機(jī)械、航空、航天及能源等行業(yè)中使用的滾動(dòng)軸承的滾珠和滾子、 滑動(dòng)軸承、套、閥.以及有耐磨、耐高溫、耐腐蝕要求的結(jié)構(gòu)器件中 納米材料在航天器功能雷達(dá)及紅夕隱身材料納米材料具有的小尺寸和量子尺寸效應(yīng)等特性.使金屬、金屬氧化 物和某些非金屬材料在細(xì)化過(guò)程中.處于表面的原子越來(lái)越多.懸掛鍵增多、界面極化增 強(qiáng).為吸波材料應(yīng)用提供了可能性。多重散射及量子尺寸效應(yīng)使納米粒子的電子能級(jí)能隙變 寬.能隙寬度處于微波范圍（10%V 10-SeV ）內(nèi)。因而可能成為新的吸波通道。納米陶瓷粉體 是陶瓷類(lèi)紅外

17、吸收劑的一種新類(lèi)型.主要包括納米碳化硅粉、納米氮化硅粉等。納米陶瓷類(lèi) 紅外吸收劑具有吸收波段寬及吸收強(qiáng)度大等特性。納米碳化硅和磁性納米吸收劑（如磁性納 米金屬粉等）復(fù)合后。吸波效果還能大幅度提高。納米氮化物吸收劑主要有氮化硅和氮化 鐵.納米氮化硅在IOOH 一 1MHz范圍內(nèi)有比較大的介電損耗.納米氮化硅的這種強(qiáng)介電 損耗是由于界面極化引起的納米氮化鐵具有很高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和飽和磁流密度.有可能 成為性能優(yōu)良的納米雷達(dá)波吸收劑。導(dǎo)電、導(dǎo)熱等功能材料納米氮化鈦具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能.在A1, O基體中加入納米氮 化鈦顆?？捎行Ы档推潆娮杪?。隨著納米氮化鈦加入量的增加.復(fù)合材料的電阻率逐漸降 低.當(dāng)

18、加入的納米氮化鈦體積含量達(dá) U20 %以后.復(fù)合材料的電阻率趨于穩(wěn)定。為5x10-3.cm。添加超高導(dǎo)熱納米氮化鋁的硅膠具有良好的導(dǎo)熱性和電絕緣性、較寬的 電絕緣使用溫度工作溫度一 6oX32002）、較低的稠度和良好的施工性能.可廣泛應(yīng)用于子 器件的熱傳遞介質(zhì)中.能夠提高工作效率.如CPU與散熱器填隙、大功率三極管、可控 硅元件、二極管、與基材接觸的細(xì)縫處的熱傳遞介質(zhì)等納米氮化鋁粉體可大幅提高塑料的導(dǎo) 熱率。將納米氮化鋁粉體以5%10%的質(zhì)量比例添加到塑料中.可使塑料的導(dǎo)熱率從0.3w /（ni. k）提高到5W / （m. k）,導(dǎo)熱率提高了 l6倍多。與目前市場(chǎng)上的導(dǎo)熱填料（氧化鋁或 氧化鎂等）相比，其添加量低。對(duì)制品的機(jī)械性能有提高作用。目前