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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
信息來源:本站 | 發(fā)布日期: 2023-05-23 13:27:06 | 瀏覽量:491614
當(dāng)火箭以每秒8千米的高速運(yùn)行時,火箭的外殼與大氣發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦,將會產(chǎn)生上千攝氏度的高溫。與此同時,當(dāng)火箭發(fā)動機(jī)工作時,還要噴出幾千攝氏度的高溫氣流。研發(fā)背景一般來說,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…
當(dāng)火箭以每秒8千米的高速運(yùn)行時,火箭的外殼與大氣發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦,將會產(chǎn)生上千攝氏度的高溫。與此同時,當(dāng)火箭發(fā)動機(jī)工作時,還要噴出幾千攝氏度的高溫氣流。
研發(fā)背景
一般來說,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,高溫很快就便會傳到火箭內(nèi)部,因此,產(chǎn)生的高溫會燒壞各種自動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)防熱失控所帶來的高溫危害,人們在火箭的外殼上涂上了一層又輕又薄的特種涂料(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%,壽命延長一倍。通過開發(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團(tuán)聚,并且這些納米顆粒的加入會顯著增加粘度。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鍵沒有極性,所以會加強(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。
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六方氮化硼是由氮原子和硼原子構(gòu)成的晶體,是一種廣泛使用的材料,它在許多領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用,例如高溫潤滑劑和模型的脫模劑等。然而,它并不導(dǎo)電?!?
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