氮化硼納米管加入陶瓷材料中在火箭噴口及火箭外殼的應(yīng)用

當(dāng)火箭以每秒8千米的高速運(yùn)行時(shí)，火箭的外殼與大氣發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦，將會(huì)產(chǎn)生上千攝氏度的高溫。與此同時(shí)，當(dāng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，還要噴出幾千攝氏度的高溫氣流。

研發(fā)背景

一般來(lái)說(shuō)，火箭的外殼是用鈦合金、鈹合金和鋁合金等材料做成的，如基體直接與高溫接觸，外殼的強(qiáng)度將會(huì)大大的減弱，并且由于合金良好的熱傳導(dǎo)率，高溫很快就便會(huì)傳到火箭內(nèi)部，因此，產(chǎn)生的高溫會(huì)燒壞各種自動(dòng)控制儀器和電子元件，為火星的正常飛行埋下了安全隱患。

為了預(yù)防熱失控所帶來(lái)的高溫危害，人們?cè)诨鸺耐鈿ど贤可狭艘粚佑州p又薄的特種涂料（耐燒蝕隔熱涂料）。目前先進(jìn)火箭噴嘴一般采用高性能的碳碳復(fù)合材料制成。表面涂有高性能的特種陶瓷涂料，這種涂料大多是由硅、磷、氮、硼、氯等元素合成的有機(jī)樹(shù)脂，具有耐高溫和自熄的特性，它好比是套在火箭外部的一件石棉衣服。

氮化硼納米管在火箭外殼涂料中的應(yīng)用

氮化硼是一種性能優(yōu)異并有很大發(fā)展?jié)摿Φ男滦吞沾刹牧希鸺{米管作為氮化硼的另一種形式，具備熱穩(wěn)定性強(qiáng)、輕質(zhì)高強(qiáng)、導(dǎo)熱絕緣、耐火阻燃、吸收中子輻射、儲(chǔ)氫和壓電等性能適合航天推進(jìn)系統(tǒng)和空間的應(yīng)用，氮化硼納米管可以加入樹(shù)脂或陶瓷中，形成涂料或復(fù)合材料組件。加入特種陶瓷形成的涂料可用于火箭外殼耐燒蝕涂料。

氮化硼納米管在火箭噴口構(gòu)件的應(yīng)用

此外，火箭推進(jìn)系統(tǒng)部件的質(zhì)量和性能也至關(guān)重要，納米材料的應(yīng)用使運(yùn)載火箭、宇宙飛船和飛機(jī)的推進(jìn)部件的質(zhì)量減少30%，壽命延長(zhǎng)一倍。通過(guò)開(kāi)發(fā)具有更高熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度的輕質(zhì)復(fù)合材料，可以實(shí)現(xiàn)減重。因此，火箭噴嘴襯套的結(jié)構(gòu)組件受益于納米填料，所提升的導(dǎo)熱性和強(qiáng)度。

為解決碳納米管材料限制問(wèn)題

碳納米管可制備出強(qiáng)度、韌性、耐久性和溫度穩(wěn)定性更高的納米復(fù)合材料。然而碳納米管的加入被控制在5%以下，這是因?yàn)樘技{米管在更高的濃度下會(huì)團(tuán)聚，并且這些納米顆粒的加入會(huì)顯著增加粘度。這限制了在機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性方面所能達(dá)到的改善程度。

氮化硼納米管（BNNT）與碳納米（CNT）管的力學(xué)性能類似，但比碳納米管能承受更高一倍的溫度。在陶瓷中加入氮化硼納米管，可以提高陶瓷的韌性和改善其力學(xué)性能。NASA研究人員最近的工作表明，氮化硼納米管可以生長(zhǎng)在陶瓷纖維表面，通常用于陶瓷基復(fù)合材料，這種陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)度，比用常規(guī)三維預(yù)制體增強(qiáng)的復(fù)合材料高3倍以上。

氮化硼納米管

氮化硼納米管遇到的技術(shù)難題

以往在陶瓷納米復(fù)合材料中使用氮化硼納米管，面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是,批量生產(chǎn)該材料具有很大的難度，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

解決問(wèn)題的方案

氮化硼納米管（BNNB），是由全球?yàn)閿?shù)不多的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)氮化硼納米管規(guī)?；a(chǎn)的BNNano公司所生產(chǎn)，通過(guò)特有工藝和專利技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。

該納米管在外壁表面上形成不規(guī)則的六方氮化硼結(jié)晶體，不規(guī)則表面使最接近的表面距離最大化，限制范德華力，不易產(chǎn)生結(jié)塊。從而有效解決了，因?yàn)樘技{米管添加量高于5%而形成團(tuán)聚和結(jié)塊的問(wèn)題。并且，由于氮化硼納米管的B-N鍵是永久偶極子，而碳納米管的C-C鍵沒(méi)有極性，所以會(huì)加強(qiáng)氮化硼納米管與基體材料的交聯(lián)，與碳納米管相比可以更高程度的提升復(fù)合材料的強(qiáng)度，而其耐高溫是碳納米管的二倍，也增強(qiáng)了復(fù)合材料的耐溫性能。

加入陶瓷材料中形成耐熱結(jié)構(gòu)，并顯著提高了陶瓷基復(fù)合材料的硬度和耐用性。除了提高硬度和耐高溫能力外，BNNT還為航天和航空應(yīng)用中使用的某些陶瓷產(chǎn)品，提供了更大的輻射屏蔽能力。