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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(lái)源:本站 | 發(fā)布日期: 2023-05-23 13:27:06 | 瀏覽量:408235
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…
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)模化生產(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。
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2024-10-15 09:49:51
常見(jiàn)的六方相氮化硼(hBN)因化學(xué)穩(wěn)定、導(dǎo)熱性能好以及表面無(wú)懸掛鍵原子級(jí)平整等特點(diǎn),被視為理想的寬帶隙二維介質(zhì)材料。菱方相氮化硼(rBN)可以保持h…
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2024-10-07 09:23:20
多數(shù)晶體內(nèi)原子、分子排列并非完美無(wú)暇,也因此會(huì)形成晶體缺陷,而科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)層狀二維材料存在的單原子缺陷,竟無(wú)需其他特殊條件就可在室溫下保留幾…
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2024-09-28 09:33:56
氮化硼是由氮原子和硼原子構(gòu)成的晶體,除了常見(jiàn)的六方氮化硼(白石墨)外,還有立方氮化硼(CBN)、菱方氮化硼(RBN)、纖鋅礦型氮化硼(WBN)等變體,…
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2024-09-20 15:44:30
氮化硼(Boron Nitride, BN)是一種重要的無(wú)機(jī)化合物,廣泛應(yīng)用于電子、新能源、航空航天等多個(gè)高科技領(lǐng)域。其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì),如高熱導(dǎo)率、電絕…
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2024-09-14 08:27:33
莫爾超晶格已被證明是一個(gè)非常豐富的材料平臺(tái),通過(guò)改變扭轉(zhuǎn)角、摻雜或電場(chǎng)來(lái)設(shè)計(jì)電子帶,可以實(shí)現(xiàn)不同的物質(zhì)相。然而,現(xiàn)有的莫爾系統(tǒng)在各個(gè)方面都存在…
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2024-09-07 08:26:32
六方氮化硼(h-BN)納米材料,如氮化硼納米顆粒(BNNPs)、氮化硼納米管(BNNTs)、氮化硼納米纖維(BNNFs)、氮化硼納米片(BNNSs),被認(rèn)為是近年來(lái)最…