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

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。