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氮化硼纳米管加入陶瓷材料中在火箭喷口及火箭外壳的应用

信息来源:本站 | 发布日期: 2023-05-23 13:27:06 | 浏览量:212487

摘要:

当火箭以每秒8千米的高速运行时,火箭的外壳与大气发生强烈的摩擦,将会产生上千摄氏度的高温。与此同时,当火箭发动机工作时,还要喷出几千摄氏度的高温气流。研发背景一般来说,火箭的外壳是用钛合金、铍合金和铝合金等材料做成的,如基体直接与高温接触,外壳的强度将…

当火箭以每秒8千米的高速运行时,火箭的外壳与大气发生强烈的摩擦,将会产生上千摄氏度的高温。与此同时,当火箭发动机工作时,还要喷出几千摄氏度的高温气流。

研发背景

一般来说,火箭的外壳是用钛合金、铍合金和铝合金等材料做成的,如基体直接与高温接触,外壳的强度将会大大的减弱,并且由于合金良好的热传导率,高温很快就便会传到火箭内部,因此,产生的高温会烧坏各种自动控制仪器和电子元件,为火星的正常飞行埋下了安全隐患。

为了预防热失控所带来的高温危害,人们在火箭的外壳上涂上了一层又轻又薄的特种涂料(耐烧蚀隔热涂料)。目前先进火箭喷嘴一般采用高性能的碳碳复合材料制成。表面涂有高性能的特种陶瓷涂料,这种涂料大多是由硅、磷、氮、硼、氯等元素合成的有机树脂,具有耐高温和自熄的特性,它好比是套在火箭外部的一件石棉衣服。


氮化硼纳米管在火箭外壳涂料中的应用

氮化硼是一种性能优异并有很大发展潜力的新型陶瓷材料,氮化硼纳米管作为氮化硼的另一种形式,具备热稳定性强、轻质高强、导热绝缘、耐火阻燃、吸收中子辐射、储氢和压电等性能适合航天推进系统和空间的应用,氮化硼纳米管可以加入树脂或陶瓷中,形成涂料或复合材料组件。加入特种陶瓷形成的涂料可用于火箭外壳耐烧蚀涂料。


氮化硼纳米管在火箭喷口构件的应用

此外,火箭推进系统部件的质量和性能也至关重要,纳米材料的应用使运载火箭、宇宙飞船和飞机的推进部件的质量减少30%,寿命延长一倍。通过开发具有更高热稳定性和机械强度的轻质复合材料,可以实现减重。因此,火箭喷嘴衬套的结构组件受益于纳米填料,所提升的导热性和强度。

为解决碳纳米管材料限制问题

碳纳米管可制备出强度、韧性、耐久性和温度稳定性更高的纳米复合材料。然而碳纳米管的加入被控制在5%以下,这是因为碳纳米管在更高的浓度下会团聚,并且这些纳米颗粒的加入会显著增加粘度。这限制了在机械性能和热稳定性方面所能达到的改善程度。

氮化硼纳米管(BNNT)与碳纳米(CNT)管的力学性能类似,但比碳纳米管能承受更高一倍的温度。在陶瓷中加入氮化硼纳米管,可以提高陶瓷的韧性和改善其力学性能。NASA研究人员最近的工作表明,氮化硼纳米管可以生长在陶瓷纤维表面,通常用于陶瓷基复合材料,这种陶瓷基复合材料的强度,比用常规三维预制体增强的复合材料高3倍以上。


氮化硼纳米管

氮化硼纳米管遇到的技术难题

以往在陶瓷纳米复合材料中使用氮化硼纳米管,面临的主要技术挑战是,批量生产该材料具有很大的难度,难以实现大规模应用。

解决问题的方案

氮化硼纳米管(BNNB),是由全球为数不多的已经实现氮化硼纳米管规模化生产的BNNano公司所生产,通过特有工艺和专利技术,已实现工业化批量生产。

该纳米管在外壁表面上形成不规则的六方氮化硼结晶体,不规则表面使最接近的表面距离最大化,限制范德华力,不易产生结块。从而有效解决了,因为碳纳米管添加量高于5%而形成团聚和结块的问题。并且,由于氮化硼纳米管的B-N键是永久偶极子,而碳纳米管的C-C键没有极性,所以会加强氮化硼纳米管与基体材料的交联,与碳纳米管相比可以更高程度的提升复合材料的强度,而其耐高温是碳纳米管的二倍,也增强了复合材料的耐温性能。

加入陶瓷材料中形成耐热结构,并显着提高了陶瓷基复合材料的硬度和耐用性。除了提高硬度和耐高温能力外,BNNT还为航天和航空应用中使用的某些陶瓷产品,提供了更大的辐射屏蔽能力。

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