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為“電火箭”裝顆“陶瓷心臟”——氮化硼材料
信息來(lái)源:本站 | 發(fā)布日期: 2023-05-13 16:08:32 | 瀏覽量:498959
隨著中國(guó)空間站“天和”核心艙的發(fā)射入軌,霍爾電推進(jìn)器的“陶瓷心臟”成為人們的關(guān)注熱點(diǎn)。這顆“陶瓷心臟”就是用白石墨復(fù)合材料打造的——氮化硼材料 挑戰(zhàn)太空,人類一直使用化學(xué)動(dòng)力,即通過(guò)燃燒化學(xué)推進(jìn)劑來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力。航天器發(fā)射入軌后,也需要?jiǎng)恿?lái)支持軌道和姿態(tài)…
隨著中國(guó)空間站“天和”核心艙的發(fā)射入軌,霍爾電推進(jìn)器的“陶瓷心臟”成為人們的關(guān)注熱點(diǎn)。這顆“陶瓷心臟”就是用白石墨復(fù)合材料打造的——氮化硼材料
挑戰(zhàn)太空,人類一直使用化學(xué)動(dòng)力,即通過(guò)燃燒化學(xué)推進(jìn)劑來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力。航天器發(fā)射入軌后,也需要?jiǎng)恿?lái)支持軌道和姿態(tài)的調(diào)整,所以必須攜帶化學(xué)燃料或者在軌補(bǔ)加燃料。而攜帶化學(xué)燃料不僅加大了發(fā)射成本,而且在一定程度上影響著航天器的空間任務(wù)能力。在這樣的背景下,電推進(jìn)技術(shù)逐步走向應(yīng)用的前臺(tái)。我國(guó)空間電推技術(shù)研究起步于20世紀(jì)60年代,經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)攻關(guān)終于取得了多項(xiàng)技術(shù)突破。2020年1月,我國(guó)首款20千瓦大功率霍爾電推進(jìn)器成功完成點(diǎn)火試驗(yàn),并達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
“天和”核心艙配置的4臺(tái)霍爾電推進(jìn)器,利用核心艙太陽(yáng)能翼產(chǎn)生的電能,為空間站軌道維持和安全飛行提供動(dòng)力支持?;魻栯娡七M(jìn)器是等離子體推力器的一種,其原理是利用強(qiáng)電場(chǎng)將離子加速噴出,通過(guò)其反作用力來(lái)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整或者軌道提升?;魻栯娡七M(jìn)器具有推力小、比沖高的特點(diǎn)。比沖是評(píng)價(jià)火箭推進(jìn)劑性能的技術(shù)參數(shù),比沖越高則表示在一定條件下推進(jìn)劑產(chǎn)生的速度增量越大。
空間站在軌運(yùn)行,由于微重力以及近地空間稀薄大氣阻力的影響,軌道高度的衰減是不可避免的。不過(guò),不需要多大的推力就能做到軌道保持。電推力雖小但可以精準(zhǔn)調(diào)控,以提升任務(wù)執(zhí)行能力。高比沖則可以大幅減少航天器攜帶的化學(xué)燃料,以擴(kuò)展空間任務(wù)的范圍等。
在霍爾電推進(jìn)器中,等離子體的電離和加速需要在放電腔中完成?;魻栯娡七M(jìn)器需要一顆堅(jiān)強(qiáng)的“心臟”,來(lái)產(chǎn)生精確可調(diào)的推力。打造這顆堅(jiān)強(qiáng)的“心臟”,必須滿足耐高溫、抗熱震、耐離子濺射、絕緣性好等條件,才能勝任放電腔的嚴(yán)酷工作。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心研制的氮化硼陶瓷基復(fù)合材料,正好滿足了電推進(jìn)器對(duì)放電腔材料的特殊要求。
不同的氮化硼變體具有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用。以六方晶型的白石墨為例,氮原子和硼原子組成的六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與石墨中的碳原子六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)極為相似,因此在某些方面具有相近的性質(zhì),如二者都具有耐熱性、耐磨性、潤(rùn)滑性等特性;但白石墨還具有一些獨(dú)特的性質(zhì),如石墨既能導(dǎo)熱也能導(dǎo)電,而白石墨能導(dǎo)熱但不能導(dǎo)電。
氮化硼各晶型結(jié)構(gòu)示意圖
1.穩(wěn)定性
對(duì)大多數(shù)金屬熔體,如鋼、不銹鋼、AL、FE、Ge、Bi、Si、Cu、等既不潤(rùn)濕又不發(fā)生作用。因此,可用作熔煉蒸發(fā)金屬的坩鍋、舟皿、液態(tài)金屬輸送管,火箭噴口,大功率器件底座,用作高溫電偶保護(hù),熔化金屬的管道、泵零件、鑄鋼的模具以及高溫電絕緣材料等。
2.耐熱耐蝕性
可以制造高溫構(gòu)件、火箭燃燒室內(nèi)襯、宇宙飛船的熱屏蔽、磁流體發(fā)電機(jī)的耐蝕件等。
3.絕緣性
廣泛應(yīng)用于高壓高頻電及等離子弧的絕緣體以及各種加熱器的絕緣子,加熱管套管和高溫、高頻、高壓絕緣散熱部件,高頻應(yīng)用電爐的材料。
4.熱導(dǎo)性
用作制備砷化鎵、磷化鎵、磷化銦的坩鍋,半導(dǎo)體封裝散熱底板、移相器的散熱棒,行波管收集極的散熱管,半導(dǎo)體和集成電極的p型擴(kuò)散源和微波窗口。
5.屏蔽性
在原子反應(yīng)堆中,用作中子吸收材料和屏蔽材料。還可用作紅外、微波偏振器,紅外線濾光片,激光儀的光路通道,超高壓壓力傳遞材料等。
6.潤(rùn)滑劑
可以作為自潤(rùn)滑軸承的組分。氮化硼的很多物理性能同石墨相似,因而有白石墨之稱。它與云母、滑石粉、硅酸鹽、脂肪酸等統(tǒng)稱為白色固體潤(rùn)滑劑。作為潤(rùn)滑劑使用,氮化硼可以分散在耐熱潤(rùn)滑油脂、水或溶劑中;噴涂在摩擦表面上,待溶劑揮發(fā)而形成干膜;填充在樹脂、陶瓷、金屬表面層作為耐高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料。用于宇航工程上,也可把氮化硼粉末直接涂在導(dǎo)軌面上。氮化硼懸浮油呈白色或黃色。因而在紡織機(jī)械上不污染纖維制品,可大量用在合成纖維紡織機(jī)械潤(rùn)滑上。
7.添加劑
由氮化硼加工制成的氮化硼纖維,為中模數(shù)高功能纖維,是一種無(wú)機(jī)合成工程材料,可廣泛用于化學(xué)工業(yè),紡織工業(yè)、宇航技術(shù)和其它尖端工業(yè)部門。
4.1 硼砂-氯化銨法
其反應(yīng)方程式為:
Na2B4O7+2(NH2)2CO→4BN+Na2O+4H2O+2CO2
Na2B4O7+2NH4Cl+2NH3→4BN+2NaCl+7H2O
4.2 硼砂-尿素法
制備過(guò)程中涉及的反應(yīng)式為:
Na2B4O7+2(NH2)2CO=4BN+Na2O+4H2O+2CO2
4.3 硼砂-三聚氰氨法
硼砂與三聚氰胺的反應(yīng)式為:
3Na2B4O7+2(NH2CN)3=12BN+3Na2O+6H2O+6C02
4.4 高頻等離子法
4.5 模板法
硬模板法是制備介孔氮化硼材料常用方法。利用多孔固體作為模板,在其孔道中浸漬氮化硼前驅(qū)體,經(jīng)熱解合成氮化硼, 然后除去模板得到對(duì)應(yīng)孔結(jié)構(gòu)的多孔氮化硼材料。
軟模板法是最早制備有序介孔材料的方法。以兩親性表面活性劑構(gòu)成的超分子聚集體作為模板,氮化硼前驅(qū)體和模板之間通過(guò)非共價(jià)鍵作用力作用進(jìn)行自組裝,再熱解得到多孔氮化硼材料。
元素置換法是在高溫條件下,利用硼、氮與碳模板之間的置換反應(yīng)得到多孔氮化硼材料。產(chǎn)物中的碳含量可通過(guò)對(duì)反應(yīng)溫度的控制來(lái)調(diào)整,反應(yīng)溫度越高,碳含量越低。此方法操作簡(jiǎn)單,污染小,但能耗較高。
氮化硼具有許多優(yōu)異的特性:
氮化硼的導(dǎo)熱性能很強(qiáng),熱膨脹系數(shù)很低,絕緣性能很好,同時(shí)還耐腐蝕和耐高溫。六方氮化硼導(dǎo)熱系數(shù)為56.94瓦每米·攝氏度,立方氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)為79.54瓦每米·攝氏度,僅次于金剛石。國(guó)外的一項(xiàng)研究顯示,單層六方氮化硼在室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)751瓦每米·攝氏度,有望成為下一代柔性電子器件散熱的首選材料。
對(duì)于高密度和大功率電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō),做好熱管理是一個(gè)急迫的問(wèn)題。比如,隨著LED技術(shù)的普及,“農(nóng)業(yè)工廠”應(yīng)運(yùn)而生。為了彌補(bǔ)光照的不足,用LED植物照射燈代替太陽(yáng)光就成了一個(gè)成熟的解決方案。
盡管與其他照明設(shè)備相比,LED燈具有很高的能量轉(zhuǎn)換效率,但理論上總的電光轉(zhuǎn)換效率仍只有54%。這就意味著LED植物照射燈仍會(huì)有大量的熱能釋放。特別是當(dāng)LED芯片溫度超過(guò)140°C時(shí),其壽命的縮短就會(huì)成為一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。如何為L(zhǎng)ED燈降溫,六方氮化硼再次走進(jìn)科學(xué)家的視野。用六方氮化硼作為填料來(lái)制作具有優(yōu)良電絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性的導(dǎo)熱塑料,可以提高其導(dǎo)熱性能。
以順滑著稱的白石墨,也能硬起來(lái)。20世紀(jì)50年代,科學(xué)家通過(guò)改變白石墨的結(jié)構(gòu),合成了一種立方氮化硼的單晶體。它是繼人造金剛石問(wèn)世之后的又一種超硬材料,硬度略低于金剛石,但耐高溫性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于金剛石,尤其對(duì)鐵系金屬元素具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。
20世紀(jì)70年代,聚晶立方氮化硼(PCBN)問(wèn)世。聚晶立方氮化硼的硬度很高,僅次于金剛石的硬度;抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性介于硬質(zhì)合金和陶瓷之間;熱穩(wěn)定性要高于人造金剛石,在1300℃時(shí)仍可以進(jìn)行切削作業(yè);在1200~1300℃高溫條件下不易與鐵系材料發(fā)生化學(xué)作用。
以“硬”聞名的立方氮化硼,用途之一是制作砂輪、油石之類的磨具,用途之二就是制作鉆頭、車刀、絞刀、銑刀之類的切削工具。特別是用于加工淬硬鋼、耐磨鑄鐵、鈦合金等一類難加工材料時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì),并且還非常適合用于數(shù)控機(jī)床加工。
高純氮化硼坩堝/承燒板
用氮化硼材料制備能耐受高溫、高頻、大功率、高輻射等極端條件的電子器件,就有可能解決許多特殊場(chǎng)合的應(yīng)用難題。近年來(lái),氮化硼薄膜材料的制備已成為半導(dǎo)體材料的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于氮化硼薄膜具有高硬度和抗熱性,并且在從紫外到遠(yuǎn)紅外的整個(gè)波段都具有高透過(guò)率,因此適合用作大功率激光器和探測(cè)器的窗口材料。
7、用于化妝品
h-BN具有優(yōu)異的分散性能、高導(dǎo)熱率和化學(xué)惰性,無(wú)毒、透明,還可以減少油性皮膚的光澤。h-BN顆粒帶有靜電粒子,可增加化妝品的附著力和遮蓋力,還有良好的滑移特性,在化妝品中加入3%~30%的h-BN,可以使皮膚緊致且彩妝產(chǎn)品易于清潔。氮化硼含有很多懸掛鍵(-OH)與液體溶劑鏈接,比表面積大,用其生產(chǎn)的化妝品具有美白、純凈無(wú)暇的效果和優(yōu)良的遮蓋性能。氮化硼作為口紅的填料,既有潤(rùn)滑性,又有光澤。
大約在1940年,日本首次將六方氮化硼粉體(h-BN)應(yīng)用到化妝品中,在很長(zhǎng)一段時(shí)間都被當(dāng)成奢侈品。隨著合成技術(shù)的發(fā)展與普及,氮化硼應(yīng)用成本降低使得其在化妝品中得以大量的應(yīng)用,幾乎所有的導(dǎo)化妝品行業(yè)的產(chǎn)品:粉餅、散粉、粉底、眼線液、眼影、腮紅、口紅及大量的護(hù)膚品中,都在使用氮化硼作為原料。
六方氮化硼具有層狀的石墨型晶體結(jié)構(gòu),莫氏硬度2Gpa和低至0.16摩擦系數(shù),較高的吸油量和水分保持及防止皮膚干裂能力,絲柔般的潤(rùn)滑性、絕佳的延展性、令人愉悅的觸感以及持久定妝能力,折光指數(shù)1.74接近人體皮膚,具有微妙的發(fā)光效果--可以起到提亮的功效,柔和的光散射,使完妝后立顯裸狀效果,是傳統(tǒng)化妝品粉體用原料滑石粉、鈦白粉、云母粉、尼龍粉、硅粉、玻璃粉、聚乙烯粉等材料所無(wú)法比擬的。
氮化硼國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程:
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