纳米陶瓷材料及其在军事领域的应用前景

纳米材料导论纳米陶瓷材料及其在军事领域的应用前景纳米陶瓷材料及其在军事领域的应用前景摘要：近期以来外军专家纷纷指出：纳米军事离我们并不遥远，纳米技术革命并非海市蜃楼，纳米战争从实验室走向未来战场将使新知世界大门洞开，届时联合作战态势更加复杂多变，战争更加扑朔迷离……进入21世纪，科技发展如火如荼，军事变革风起云涌。

站在历史新起点上审视，到底什么科技能够像核能和微电子技术一样，对未来军事发展产生革命性的深远影响，并将主导新一轮军事变革？国外专家不约而同地指出：“纳米技术将在21世纪引发重大变革，并成为新的技术革命的核心！”Abstract: since the recent foreign experts have pointed out that: nano military is not far away from us, not the Nanotechnology Revolution mirage, nano war from the laboratory to the battlefield of the future will make the new world the gate opens, then joint combat situation more complex, more whirling war...... Enter the twenty-first Century, science and technology development like a raging fire, military reform be raging like a storm. Standing on the new historical starting point to examine, what technology can be like nuclear and microelectronic technology, bringing revolutionary far-reaching influence on the future military development, and will lead the new revolution in military affairs? Foreign scholars pointed out: "nanotechnology will cause great change in twenty-first Century, and become the core of the new technological revolution!"一．纳米陶瓷及其发展历程陶瓷材料在日常生活、工业生产及国防领域中起着举足轻重的作用。

但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了很大限制。

随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服传统陶瓷的脆性，使其具有像金属一样的柔韧性和可加工性。

与传统陶瓷相比。

纳米陶瓷的原子在外力变形条件下自己容易迁移，因此表现出较好的韧性与一定的延展性，因而从根本上解决了陶瓷材料的脆性问题。

英国著名材料科学家卡恩在Nature杂志上撰文道：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。

”中国的陶器可追溯到9000年前,瓷器也早在4000年前出现。

最初利用火煅烧粘土制成陶器。

后来提高燃烧温度的技术出现, 发现高温烧制的陶器, 由于局部熔化而变得更加致密坚硬, 完全改变了陶器多孔、透水的缺点, 以粘土、石英、长石等矿物原料烧制而成的瓷器登上了历史舞台。

新型陶瓷诞生于20 世纪二三十年代, 科学技术高速发展,对材料提出了更高的要求。

在传统陶瓷基础上, 一些强度高、性能好的新型陶瓷不断涌现, 它们的玻璃相含量都低于传统陶瓷。

纳米陶瓷的研究始于80 年代中期。

所谓纳米陶瓷，是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都限于100nm以下，是上世纪80年代中期发展起来的新型陶瓷材料。

由于纳米陶瓷晶粒的细化，品界数量大幅度增加，可使材料的韧性和塑性大为提高并对材料的电学、热学、磁学、光学等性能产生重要的影响，从而呈现出与传统陶瓷不同的独特性能，成为当今材料科学研究的热点。

二．纳米陶瓷的制备方法2．1物理制备方法物理制备方法主要是蒸发凝聚法和高能机械球磨法两种。

蒸发凝聚法：在真空蒸发室内充入低压惰性气体，加热金属或化合物蒸发源，由此产生的原子雾与惰性气体原子碰撞而失去能量，凝聚而成纳米尺寸的团簇，并在液氮冷却棒上聚集起来，最后得到纳米粉体。

1987年美国Argonne实验室的Siegles采用此法成功地制备了Ti02纳米陶瓷粉体，粉体粒径为5—20nm。

高能机械球磨法：利用机械摩擦的方法得到纳米晶粒。

是将粉体放在一个密闭的容器中，随着容器的旋转、振动或剧烈摇动而得到超细微粒。

采用此法已制备了19nm左右的压电陶瓷粉体。

此外还有机械粉碎、电火花爆炸法等其他物理制备技术。

一般说来，纳米陶瓷粉体物理制备方法的工艺条件较为苛刻，应用范围较窄，粉体粒径控制较为困难，而化学制备方法是在液相和气相条件下，首先形成离子或原子，然后逐步长大，形成所需要的粉体，容易得到粒径小、纯度高的超细粉体。

2．2化学制备方法化学制备方法分为气相化学法和液相化学法。

气相化学法：是在远高于热力学计算临界反应温度条件下，反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸汽压，使其自动凝聚形成大量的晶核。

这些晶核在加热区不断长大，聚集成颗粒。

随着气流进入低温区，颗粒生长、聚集、晶化过程停止，最终在收集室内收集得到纳米陶瓷粉体。

上海硅酸盐研究所的研究人员在1100～1400℃温度下，分别用Si(CH3)2C12、NH3、H2作为硅、碳、氮源和载气，制得了平均粒径为30～50nm的SiC纳米粉和平均粒径小于35nm无定形SiC／Si3N4纳米复合粉体。

气相化学合成按加热热源可分为电阻法、等离子体法、激光法和电子束法等。

对于原料容易挥发、蒸汽压高、反应温度不是太高的、反应性高的有机硅、金属氯化物或其它化合物，采用电阻加热法即可。

目前有产业化趋势的制备方法是等离子体法和激光法。

等离子体法是纳米陶瓷粉体制备的常用方法之一，用该方法制得了A1203、Si3N4、Si3N4／SiC、AlN、ZrN、TiN等氮化物纳米陶瓷粉体。

激光诱导气相沉积法的基本原理是利用反应气体分子(或光敏剂分子)对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子激光光解、激光热解、激光光敏化和激光诱导化学合成反应，经成核生长成超细粉末。

液相化学方法是通过液相来合成粉体，包括沉淀、溶胶凝胶、喷雾热解、水热合成。

沉淀法：在金属盐溶液中加入适当的沉淀剂得到陶瓷前驱体沉淀物，再将其煅烧形成纳米陶瓷粉体。

为了避免严重的硬团聚，往往引入冷冻干燥、超临界干燥、共沸蒸馏等技术手段。

已制备Y-TZP和Y203一Zr02粉体。

溶胶凝胶法：是20世纪60年代发展起来的一种方法，早期主要用于制备陶瓷材料，其原理是将醇盐溶解于有机溶剂中，通过加入蒸馏水使醇盐水解、聚合、形成溶胶，然后随着水的加入转变成凝胶。

凝胶在真空状态下低温干燥，得到疏松的干凝胶，再将其高温煅烧，可得到氧化物纳米陶瓷粉体。

采用溶胶凝胶法很容易合成A1203、Fe23、Zr02以及氧化物复合粉等纳米粉体。

天津大学的侯峰等人也因此法制备了钙钛矿纳米陶瓷薄膜。

喷雾热解法：将金属盐溶液以雾状喷人高温气氛中，此时立即引起溶剂的蒸发和金属盐的热分解，随后因过饱和而析出固相，从而直接得到氧化物纳米粉体。

或者将溶液喷人高温气氛中干燥，然后再经热处理形成粉体。

赵新等用喷雾热解法合成了纳米复合粒子.水热合成法：是在密闭反应器中以水溶液作为反应体系，通过将水溶液加热至临界温度(或接近临界温度)来进行材料制备。

利用超临界的水热合成装置，可连续获得Fe203、Ti02、Zr02、BaO·6Fe23、Fe34、NiO、Ce02等一系列纳米氧化物粉体。

国外采用气相氢氧焰水解法大批量生产纳米二氧化钛粉体，对于CdS、In2S3、ZnS、SnS2、CoS2等纳米粉体都可用热合成。

三．纳米技术在导弹快艇上的应用导弹快艇是指运用于舰载机动发射的舰艇，主要适用于海基短程和中程导弹的部署、调整和发射等作业的机动性载具。

是现代海战的“格斗性”武器，该装备的突出性能在于“狠”和“快”二点，可担当海上大型舰船（包括航母）的“终结者”。

该装备在实战状态下，以下性能的好坏将直接影响到装备的实际战斗力：一、反应速度快；二、高速续航能力强；三、作战半径大；四、配套补给易；五、维修保养强度低。

在导弹快艇的发动机、齿轮箱、燃油系统和高速传动系统中，合理利用相应的纳米技术，可以全面提升上述五点性能，提高装备的实际战斗力。

导弹快艇的发动机一般采用船用柴油发动机，相应的润滑产品使用的是柴油机油。

导弹快艇的快速反应能力和高速续航能力，都取决于发动机的实际运行性能。

通常情况下，发动机冷启动的干磨损要占整个发动机自然磨损的2/3。

原因是舰船停泊以后，机油全部回流到底部的油箱中，在发动机各运动部位的金属表面上只剩余一层薄薄的残存油膜。

这层油膜在发动机启动后几秒钟内即已破坏，所以没有预热直接发动起航会导致发动机严重的干磨损。

船用柴油发动机属于内燃机，发动机的运行温度主要来源于内燃机的燃烧热量，特别是高速运行时，最高温度将达到600℃。

而柴油机油在60℃发生氧化还原反应，温度越高反应速度越快，进而快速失去柴机油应有的润滑效果。

为了保证导弹快艇的高速续航能力，只能缩短更换机油的保养周期，也就是增加了保养的频率和强度，进而增加导弹快艇部队的后勤补给任务。

应用于柴油机油的纳米润滑添加剂是液态的，与主体的柴机油是同质的，在原来使用的柴机油中按比例添加健龙节油养护剂LONG-0101或直接使用含有这种纳米润滑剂的健龙节油养护柴机油LONG-03021/2，不会对柴油发动机造成任何不良影响。

这种液态纳米添加剂的基本形态是哑铃状，即两个纳米级球体之间有化学键链接。

在常温非工作状态下，这个链接纳米球体的化学键没有打开，纳米添加剂的实际形态是由两个以上纳米球体通过化学键链接在一起，有些链接较多球体的微粒直径并不是纳米级的。

在发动机启动运行状态下，高温和高剪切力都能使这个链接纳米球体的化学键打开，这些被打开的纳米球体具有很强的“活性”，能快速在润滑面上形成纳米吸附膜和纳米反应膜。

这种纳米吸附和反应膜的形成和运行是动态的，与润滑油中纳米球体形成了一个动态平衡，所以使用这种纳米机油可以让发动机在实际运行中进行养护。

根据许多民用车辆的使用验证，可以预测健龙节油养护柴机油LONG-03021/2在导弹快艇发动机应用效果如下：1、延长机油的换油周期四倍以上，机油节省3/4以上，大幅降低导弹快艇的保养频率和强度；2、由于润滑工况改善，平均节省燃油率超过10%，也就是扩大10%的作战半径；3、能平衡提高缸压，增加快艇的动力5%以上；4、快艇可以冷启动，发动了即可起航，即使不预热也不会出现干磨损，提高部队的快速反应能力；5、降低冷却水温度5~12℃，避免水箱开锅；6、延长发动机的大修周期数倍以上；7、能降低尾气烟度排放，提高快艇的最高时速10%以上。