為“電火箭”裝顆“陶瓷心臟”——氮化硼材料

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。霍爾電推進(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。霍爾電推進(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。

其反應(yīng)方程式為：

Na₂B₄O₇+2(NH₂)₂CO→4BN+Na₂O+4H₂O+2CO₂

Na₂B₄O₇+2NH₄Cl+2NH₃→4BN+2NaCl+7H₂O

制備過(guò)程中涉及的反應(yīng)式為：

Na₂B₄O₇+2(NH₂)₂CO=4BN+Na₂O+4H₂O+2CO₂

硼砂與三聚氰胺的反應(yīng)式為：

3Na₂B₄O₇+2(NH₂CN)₃=12BN+3Na₂O+6H₂O+6C0₂

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。