氮化硼納米管可替代BN，適用于航天新一代大功率霍爾推力器 (HET)

兩年前我國的首款20千瓦大功率霍爾推力器 (HET) 成功完成點(diǎn)火試驗(yàn)，點(diǎn)火時間累計(jì)達(dá)8小時，點(diǎn)火次數(shù)超過30次，實(shí)現(xiàn)了我國霍爾電推力器推力從毫牛級向牛級的跨越。

大家在歡喜之余其實(shí)很多人卻是一臉懵，霍爾推進(jìn)器，是個啥？

簡單地說傳統(tǒng)火箭推進(jìn)器靠的是燃燒化學(xué)燃料，而霍爾推進(jìn)器靠的是強(qiáng)磁場和電場，拋出的是離子流。

本篇文章主要是想簡單介紹下新材料氮化硼納米管，在新一代航天飛行器上的應(yīng)用。

剛才咱們講到了霍爾推進(jìn)器與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的基本原理，它的作用是利用電能加熱、離解和加速工質(zhì)，使其形成高速射流而產(chǎn)生推力的技術(shù)。與化學(xué)推進(jìn)相比，電推進(jìn)具有比沖高、推力小、適應(yīng)于重復(fù)啟動、重量輕和壽命長等特性。因而電推進(jìn)可作為航天飛行器控制姿態(tài)、軌道偏移和提升、軌道修正、阻力補(bǔ)償、宇宙探測和星際航行等等任務(wù)。

在該技術(shù)的發(fā)展中，先進(jìn)的材料是保障它可以持續(xù)發(fā)展的有效動力，因?yàn)镠ET對材料的要求非常高，比如：

1. 高介電強(qiáng)度——由于涉及電壓，它們必須非常介電；

2. 抗熱沖擊——衛(wèi)星暴露在太空中的極端溫度波動中；

3. 高導(dǎo)熱性——熱產(chǎn)生的電氣條件需要足夠的冷卻；

4. 低 CTE – 由于溫度波動，HTC 必須保持尺寸穩(wěn)定；

5. 低密度——空間受限組件的重量對于高效發(fā)射和操作至關(guān)重要。

HET必須承受苛刻的材料條件以及復(fù)雜的設(shè)計(jì)要求，而這些設(shè)計(jì)通常只能使用易于加工的陶瓷材料來制造。

現(xiàn)今人們想要獲得更遠(yuǎn)的星際航行，就需要更強(qiáng)大的材料解決方案。目前BNNT（氮化硼納米管）作為更先進(jìn)的材料可以替代BN，理論上僅需更少的BNNT即可實(shí)現(xiàn)同等的作用，這樣可節(jié)省開發(fā)成本和提升性能。

BNNT是六方氮化硼 (h-BN) 的三維結(jié)晶形式，也稱為白色石墨烯。BNNT的厚度從一個到幾個原子層不等，它具有與其全碳模擬石墨烯相似的幾何形狀，各項(xiàng)性能更適用于航天飛行器。

該材料的組成由氮化硼納米管>90% ，雜質(zhì)六方氮化硼< 10%，硼元素 < 1%。同時熱穩(wěn)定性（在空氣中高達(dá) 900°C）、帶隙 > 5.5eV、楊氏模量（高達(dá) 1.3 TPa）、具有出色的導(dǎo)絕緣性、壓電性、抑制熱中子輻射和低密度性等都非常適用于HET。

另外，NanoBarbs?氮化硼納米管在應(yīng)用業(yè)績方向，已為美國軍方的所有分支機(jī)構(gòu)、NASA、全球政府實(shí)驗(yàn)室等提供材料合作，2021年還與美國海軍研究(NPS) 簽訂了合作研發(fā)協(xié)議 (CRADA)。共有多位材料專家計(jì)劃將NanoBarbs?氮化硼納米管用于自己的最近研發(fā)中，皆在為使納米材料具有廣泛的應(yīng)用（即催化劑、電池、超級電容器、抗沖擊、結(jié)構(gòu)部件、微電子、高溫系統(tǒng)和與傳導(dǎo)有關(guān)的航空航天復(fù)合結(jié)構(gòu)），還計(jì)劃使用NanoBarbs? 提高航空航天工業(yè)使用的輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料以及相變材料的導(dǎo)熱性等。