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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1 TPa，拉伸强度超过100 GPa，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的滚珠和滚子、滑动轴承、套、阀，以及有耐磨、耐高温、耐腐蚀要求的结构器件中。(二)纳米材料在航天器功能材料上的应用
(1)导电、导磁、导热、隔热、耐烧蚀、防热等功能材料
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。由于纳米材料自身的特点，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。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会使其黏度上升很快，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。
飞行器在大气中高速飞行时，由于气动加热飞行器表面与空气发生剧烈的摩擦，产生大量的热量，使飞行器表面温度急剧上升。随着科技的发展，采用纳米改性的玻璃钢材料能显著提高材料的热防护性能，在未来航天领域具有广阔的应用前景。
在导弹、火箭的发动机喷管上防热材料普遍采用碳-酚醛、高硅氧-酚醛。热防护材料中的树脂体系和含碳量决定了碳层的质量，进而影响其耐烧蚀性能。石墨及C-C复合材料是制造固体火箭发动机喷管的理想烧蚀材料，但石墨及C-C复合材料在使用中暴露出一个严重不足就是氧化侵蚀。在 500 ℃以上就可以被氧化，生成CO2、CO，使材料强度降低。通过在材料中加入非氧化物陶瓷纳米颗粒，使非氧化陶瓷纳米颗粒氧化成膜来实现碳材料自愈合抗氧化。
此外，纳米材料在航天领域还有很多的应用，如采用纳米材料对光电吸收能力强的特点可制作高效光热、光电转换材料，可高效地将太阳能转换成热、电能，在卫星、宇宙飞船、航天飞机的太阳能发电板上可以喷涂一层特殊的纳米材料，用于增强其光电转换能力；在火箭发动机壳体上喷涂一层防静电纳米涂料，可以有效的提高火箭工作的可靠性。(2)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。(3)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。纳米粒子加入橡胶能极大地改善其力学性能。纳米AlN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。(4)固体火箭推进剂
固体火箭推进剂主要由固体氧化剂和可燃物组成。固体火箭推进剂的燃烧速度取决于氧化剂与可燃物的反应速度，它们之间的反应速度的大小主要取决于固体氧化剂和可燃物接触面积的大小以及催化剂的催化效果。纳米材料由于粒径小、比表面积大、表面原子多、晶粒的微观结构复杂并且存在各种点阵缺陷，因此具有高的表面活性。正因为如此，用纳米催化剂取代火箭推进剂中的普通催化剂成为国内外研究的热点。近年来，国外研究了加入纳米铝粉以及金属/聚合物纳米层压材料片状粉末添加剂改性的纳米火炸药、推进剂和固体燃料。试验研究表明，在火炸药、推进剂和固体燃料配方中加入上述纳米粉末具有加快燃烧速度，改善燃烧效率，提高性能以及防止凝结有害金属微滴等优点。
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。20 世纪 90年代美国的 Argonide 公司生产了商品牌号为Alex的纳米铝粉，用Alex纳米铝粉铝化端羟基聚异丁烯，其燃烧速度是微米铝粉(20～35μm)的2倍，燃烧速率是微米铝粉的 40～60 倍，没有铝微滴凝结现象，从而避免了加入微米铝粉会凝结铝微滴造成降低燃烧效率、影响火箭飞行特性以及增加热红外信号等重大缺点。
未来展望
纳米技术是在20世纪90年代初才逐步发展起来的一门主导性的新兴科学技术，它将与信息技术和生物技术一样，对21世纪经济、国防和社会产生重大影响，并可能引导下一场工业革命。随着纳米技术以及大规模工业化生产进程的发展，纳米材料在国民经济各领域越来越得到广泛应用。由于保密原因，纳米材料在军事、航空、航天等特殊领域的应用报道还较少。从纳米材料的特性出发，结合航天产品的发展趋势和特点，可以看出纳米材料在航天领域具有较大的应用前景。
纳米科学技术正处于重大突破的前夜，它取得的一系列成果，引起了关心未来世界发展的科学家的思索。人们正注视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展。纳米技术无论是在理论上还是在实际使用过程中，还存在很多问题，需要我们进一步的探索和改进。我们相信，随着纳米科技的发展，纳米材料在航天领域将得到越来越多的应用，纳米技术将为促进我国的航天事业的发展做出重大贡献。
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