奈米科技在航空太空方面的應(yīng)用

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1、奈米科技在航空太空方面的應(yīng)用航空太空結(jié)構(gòu)材料之性能要求航空太空結(jié)構(gòu)材料要求具有:高強(qiáng)度(抗應(yīng)力破壞(antistessdestruction))強(qiáng)韌性(toughness)低密度有些材料甚至要具有耐高溫、耐腐蝕(corrosion)、耐摩擦(friction)、耐高壓等性能。2飛機(jī)和太空飛行器的主要結(jié)構(gòu)材料製造飛機(jī)(airplane)和太空飛行器(spacecraft)的主要結(jié)構(gòu)材料包括:金屬材料如鋁合金、鎂合金、鈦合金、鋰合金、合金鋼(alloysteel)等。非金屬材料如特種陶瓷、工程塑料、各類(lèi)纖維複合材料等。

2、3奈米複合材料複合材料的結(jié)構(gòu)是一個(gè)相為連續(xù)相(continuousphase)，稱(chēng)為基體；而另一相為以一定型態(tài)分佈於連續(xù)相的分散相(dispersedphase)，稱(chēng)為增強(qiáng)體。如果增強(qiáng)體是奈米級(jí)的尺度，如奈米微粒、奈米晶片、奈米晶鬚、奈米纖維等，就稱(chēng)為奈米複合材料。4奈米複合材料之分類(lèi)依基體種類(lèi)分有：金屬奈米複合材料、陶瓷奈米複合材料、高分子奈米複合材料等。依增強(qiáng)體種類(lèi)有：顆粒增強(qiáng)奈米複合材料、晶鬚增強(qiáng)奈米複合材料、纖維增強(qiáng)奈米複合材料等。依基體種形狀分有：0-0複合、0-2複合、0-3複合等。5奈米複合材料之分類(lèi)

3、依增強(qiáng)體形狀分有：零維(顆粒狀)、一維(纖維狀)、二維(片狀)等。依複合方式分有：晶內(nèi)型、晶間型、晶內(nèi)-晶間混合型、奈米-奈米型等。依用途分有：結(jié)構(gòu)奈米複合材料、功能奈米複合材料、智能奈米複合材料等。6(a)晶內(nèi)型(b)晶間型(c)晶內(nèi)-晶間混合型(d)奈米-奈米型奈米複合材料依複合方式分類(lèi)共有四種?？招牧呅未砘w晶粒，黑色圓點(diǎn)和黑色六邊形分別代表奈米微粒和晶粒(增強(qiáng)體)。7奈米金屬複合結(jié)構(gòu)材料鋁合金是傳統(tǒng)的製造超音速飛機(jī)(supersonicairplane)或飛行器(aircraft)之蒙皮(skin)的合

4、金材料。而今，密度只有大約鋁合金之50%的鋰-鎂合金等，以其塑性特性大量地用做飛彈(missile)、太空飛船(spaceship)的結(jié)構(gòu)材料。8奈米金屬複合結(jié)構(gòu)材料之後，奈米材料加入行列。早在二十世紀(jì)八○年代初，德國(guó)科學(xué)家格雷特(H.Gleiter)教授就提出奈米晶體材料的概念，並首次獲得了奈米金屬銀、銅、和鋁等塊材。奈米相(nanophase)及奈米金屬間化合物(nanointermetalliccompound)分散補(bǔ)強(qiáng)合金的研究已引起各國(guó)科學(xué)家與技術(shù)人員的興趣。奈米增韌補(bǔ)強(qiáng)的新型合金將可大幅度提高材料的強(qiáng)度

5、，降低材料的用量，減輕飛行體的質(zhì)量，從而提高飛行體的飛行速度和性能。9奈米介孔複合材料介孔固體(mesoporoussolid)一詞始見(jiàn)於1972年。一般將孔徑大於50nm的孔稱(chēng)為大孔，小於2nm的孔稱(chēng)為微孔，而孔徑在此二者之間的孔稱(chēng)為介孔。10奈米介孔複合材料大孔固體主要應(yīng)用於分離科學(xué)如色譜學(xué)或催化劑載體，微孔固體主要應(yīng)用於分子之選擇吸收、篩分、和催化。至於介孔固體的孔是互相連通，並與周?chē)h(huán)境接觸，其孔之?dāng)?shù)量可達(dá)1019個(gè)/g，比表面積一般在600m2/g以上，高的甚至達(dá)到1200m2/g。所以，表面效應(yīng)十分顯著

6、。11奈米介孔複合材料在航空太空技術(shù)中，科學(xué)家研製出"發(fā)汗"金屬材料，吸收高速飛行體其高溫表面的熱量，使其以降溫。科學(xué)家把金屬鎢製成介孔(mesopore)的金屬骨架，再以相對(duì)低熔點(diǎn)的銅或銀等材料填充在"汗孔"中，製成"發(fā)汗金屬"。用發(fā)汗金屬製成火箭噴嘴(nozzle)。12奈米焊接奈米微粒之熔點(diǎn)(meltingpoint)通常低於同質(zhì)塊材之熔點(diǎn)，隨著顆粒尺度之減小，其熔點(diǎn)隨之下降。所謂的奈米微粒之熔點(diǎn)，嚴(yán)格講起來(lái)是奈米微粒的液相燒結(jié)溫度(liquidsinteringtemperature)?？衫媚蚊孜⒘５腿埸c(diǎn)

7、之特性，對(duì)飛行器外殼或其他零件進(jìn)行焊接(weld)。13奈米焊接若將超細(xì)銀粉製成導(dǎo)電漿料，就能在較低溫度下進(jìn)行燒結(jié)。奈米焊接不僅限於用在金屬材料，也可以應(yīng)用在部分特殊陶瓷材料上。奈米焊接技術(shù)用於加工某些高熔點(diǎn)、難成形的陶瓷，非常有用。只要將陶瓷加工成奈米粉末(nanopowder)，就可在不高之溫度下將其熔化燒結(jié)成耐高溫元件。用奈米粉體進(jìn)行燒結(jié)、緻密化(densification)的速度快，還可以降低燒結(jié)溫度。14奈米增韌補(bǔ)強(qiáng)陶瓷高科技陶瓷基奈米複合材料的基體主要有氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、碳化矽(

8、SiC)、氮化矽(Si3O4)、和玻璃陶瓷等。傳統(tǒng)陶瓷材料很硬、易碎、不易做成機(jī)械。但硬而易碎的氧化鋯(ZrO2)若以奈米晶粒製成，則變得極富彈性，可做極大的長(zhǎng)度形變(高達(dá)其原長(zhǎng)度的300%以上)。15奈米增韌補(bǔ)強(qiáng)陶瓷奈米晶格陶瓷材料可以在相對(duì)低溫下壓製或燒結(jié)成各種形狀。16奈米增韌補(bǔ)強(qiáng)陶瓷為了改善陶瓷基奈米複合材料的韌性，科學(xué)家普遍採(cǎi)用顆粒、晶鬚(纖維)、