纳米技术与应用

《纳米技术与应用》课程论文
纳米技术在军事中的应用
摘要本文综述了纳米技术在军事领域中的应用，其中包括各种纳米材料和纳米武器，并探讨了纳米技术在军事应用中面临的问题及未来展望。

关键词纳米技术，军事应用，材料，武器
1 前言
进入新世纪，一场新的纳米技术革命正在悄然兴起。

历史经验表明，技术革命在带来产业革命的同时，必将引起军事领域的重大变革。

美国兰德公司认为，纳米技术将是“未来驱动军事作战领域革命”的关键技术。

目前，各主要军事大国，都对纳米在军事武器领域的应用高度重视，加大经费投入，开展研制试验，制造纳米武器。

纳米是一个长度单位，仅有一米的10亿分之一。

10亿分之一是什么概念，形象地比喻，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。

一纳米相当于数个原子的并列长度。

纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm~100nm）调制的各种固体超细材料。

纳米材料有4个基本效应，即小尺寸效应、量子尺寸效应、表面与界面效应、宏观量子隧道效应，由于这些效应，纳米材料具有常规材料所没有的特别性能，如高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热和低熔点、奇特的磁性、极强的吸波性，可以在光电器件、灵敏传感器、隐身技术、催化、信息存储等领域得到广泛的应用[1]。

纳米技术是在0.1纳米到几百纳米的尺度内对原子、分子进行操作、控制和加工的技术。

纳米技术的出现，将使物质加工和处理技术达到一个前所未有的水平。

在纳米这一极其微小的世界里，纳米技术有着广泛而神奇的用途，发挥着超乎人们想象的作用。

在新材料制备和现代制造技术方面，运用纳米技术，可以在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界中不存在的、生物材料和仿生材料；在微电子和计算机技术方面，纳米技术与微电子技术相结合出现的纳米电子学，可以超越集成电路的物理与工艺限制，研制出体积更小、速度更快、功耗更低的新一代量子功能器件，用量子元件代替微电子器件，“深蓝”、“银河”等巨型计算机就能装入口袋，“亚洲一号”通信卫星可只有鸽子大小；在环境与能源技术方面，纳米材料可用来消除水和空气中的污染，成倍地提高太阳能电池的能量转换效率；在医学技术方面，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体之后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织，在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥
反应，还可研制疾病早期诊断的纳米传感器系统，大大提高医生的诊断水平；在航空航天技术方面，用纳米技术研制的低能耗、抗辐射、高性能计算机，用纳米集成的测试、控制仪器和电子设备以及抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料，将更多地应用到未来航空航天技术领域中[2-5]。

2纳米科技实用化关键
纳米技术从研究走向实用有3大关键：一是纳米材料的研制，二是寻求超精度微加工方法，三是微机电系统的制造。

首先是研制纳米材料，由于科学家们的努力，如今高能量纳米材料、纳米隐形材料、纳米磁性材料等众多纳米材料已有重大突破。

某些纳米材料产品已在高技术开发和军事应用领域得到广泛地应用，表现出优异的应用品质。

其次是解决超精度微加工方法，超精度微加工方法是一种与常规的“由大到小”的加工技术截然不同的加工方法，称为扫描隧道显微镜加工技术。

它的基本思路是将常规的“由大到小”的加工方法改变为“由小到大”的加工方法，具体步骤是：将扫描隧道显微镜的极其尖锐的金属探针，向材料表面不断逼近，当距离达到一纳米时，施加适当电压，产生隧道电流，这时探针尖端便吸引材料的一个原子过来，然后将探针移至预定位置，去除电压，使原子从探针上脱落。

如此反复进行，最后便按设计要求“堆砌”出各种微型构件。

整个过程就如同用砖头盖房子一样。

如此构造出来的纳米器件具有新的物理特性，非常坚固耐用，同时也非常可靠，振动2000万次，也丝毫不会损坏。

第三是制造微机电系统，纳米技术的核心技术是微机电技术。

微机电技术并不是通常意义上的系统小型化，而是制造业原理上的彻底变革。

因为当每个部件都小到纳米级以后，往常的宏观参数如体积、重量等都变得微不足道了，而与物体表面相关的因素如表面张力和摩擦力则显得至关重要。

近年来，微机电技术获得了实质性突破。

科学家们成功地制出了纳米齿轮、纳米弹簧、纳米喷嘴、纳米轴承等微型构件，并在此基础上制成了纳米发动机。

同时，微型传感器、微型执行器等也相继制成。

这些基础单元再加上电路、接口，就可以组成完整的微机电系统[6-8]。

3 纳米技术的军事应用
从军事需求来分析，可以把军事纳米技术分为以下两种种类型：
第一类是以纳米功能材料和特种材料为基础的军事装备。

由于纳米功能材料的种类很多，具有军用价值的功能材料也是多种多样。

如吸波材料和防污自洁材料的使用形式大致可以分为：功能表面、烟幕和“隐真示假”材料。

特种材料机械
性能优良，通过纳米技术赋予材料以高强度、耐高温、抗疲劳等特性，可以达到特殊用途的需求。

如纳米陶瓷、纳米复合材料等。

第二类是以纳米电子技术为基础的微型化武器装备，飞机、坦克、制导弹药、卫星、作战机器人、雷达、纳米传感器、纳米阵列激光器等。

减小武器装备的体积、重量，增强隐蔽性和灵活性，提高灵敏性和精确性[9]。

3.1 纳米新材料在武器装备中的应用
3.1.1 纳米增强材料
3.1.1.1改进武器装备的材料性能
有些(复合)纳米材料(如金属-陶瓷复合材料等)具有韧度高、质量轻、耐强酸强碱、耐高温等优点，可用于军用舰船、坦克、车辆、航天飞行器等，提高其战斗性、维护性和经济性。

将纳米陶瓷晶粒（如SiC等）引入铝合金中制造出质量轻、强度高、耐热性的新型复合材料，可作为深潜器和深度鱼雷的壳体。

运用纳米技术在产品中添加特殊性能的材料或在产品表面形成一层特殊的材料，能产生出新的性能。

由于碳纳米管的硬度大约是钢的100倍，如果把碳纳米管用于武器制造，可大大提高武器弹头对目标的穿透力和破坏力，也可提高武器装备的防护能力，未来防弹装甲车可能产生使导弹滑落或弹回去的奇迹[10]。

陶瓷/金属的纳米相材料可用作飞机的高效、微型天线材料。

利用纳米SiO2的透明性和对紫外光的吸收特性可作为有机玻璃涂层材料抗紫外辐照。

纳米材料的超塑性(高温时可展延成形且保留常温时的各种性能)特别适于导弹前锥部位
用材和装甲材料[11]。

3.1.1.2提高武器推进剂和炸药的燃烧效率
纳米材料可用作火箭燃料纳米助燃剂，在火箭燃料中加入不到l％的纳米铝粉，可将燃烧能力提高一倍。

利用纳米镍作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可提高100倍。

利用碳纳米管来制作储氢材料，可用作汽车及飞行器的燃料“储备箱”。

含有20％超微钴颗粒的金属陶瓷的纳米相复合材料是火箭喷口的耐高温材料；用纳米颗粒制成的精细陶瓷，正在试用于陶瓷绝热涡轮复合发动机、陶瓷涡轮机、耐高温、耐腐蚀轴承及滚球等[12-14]。

燃气轮机是喷气式飞机、轮船、发动机组等的动力来源，一个发动机组，如果涡轮进口温度从1000℃提高到1200℃，每发一度电就可节油0.05公斤，相当于原来所需燃料的60％。

利用纳米高温陶瓷材料SiC纤维/Si3N4陶瓷制造的涡轮叶片的使用温度甚至可高于1500℃，从而可大大提高热机的热效率[15-16]。

3.1.1.3增强武器平台的信息存储与获取能力
在信息化战争中，电子技术应用与开发，不仅成为现代军事科技、各种军事系统和武器系统研制开发的科技支柱，而且是现代战争中作战指挥、通信网络、
后勤保障等诸多决定战争胜负关键因素的依靠和保证。

而纳米技术正在MEMS (微机电系统)起步，将对未来电子技术领域产生重大影响。

它将传感器、电动机和各碳纳米管种处理器都放在一块芯片上，使计算机的速度和效率提高数百万倍，存储器的存储容量达到数万亿比特，并且将能耗降低到现在的几十万分之一，可以成千倍地提高指挥自动化系统处理战场信息的能力。

一旦研制成功，并应用于军事领域，能够快速、全面、系统地得到信息，立即对敌我双方的情况做出反应，可将传统战场需要较长时问方能完成的作战行动压缩到几分钟．甚至几秒钟之内。

使得作战进程几乎与决策同步，这样不仅可以大大增强指挥的稳定性、灵活性和主动性，而且缩小了战场的时空范围。

提高了指挥的适时性和有效性，使快速反应能力有了质的飞跃[17]。

3.1.2 纳米防护材料
与传统涂层相比，纳米结构涂层能使强度、韧性、耐腐蚀、耐磨、热障、抗剥蚀、抗氧化和抗热疲劳等性能得到显著改善，且一种涂层可同时具有上述多种性能。

某些纳米微粒还有杀菌、阻燃、导电、绝缘等作用，可用这些纳米粒子制成防生物涂料、阻燃涂料、导电涂料和绝缘涂料。

将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。

这些技术均可有效解决目前各国海军装备普遍存在的“三漏”问题、舰艇动力推进装置螺旋桨的穴蚀问题以及潜艇、舰艇船体涂料的防污问题等[18]。

普通陶瓷在被用作防护材料时，由于其韧性差，受到弹丸撞击后容易在撞击区出现显微破坏、垮晶、界面破坏、裂纹扩展等一系列破坏过程，从而降低了陶瓷材料的抗弹性能。

纳米陶瓷高活性和耐冲击的性能，可有效提高主战坦克复合装甲的抗弹能力；增强速射武器陶瓷衬管的抗烧蚀性和抗冲击性；由防弹陶瓷外层和碳纳米管复合材料作衬底，可制成坚硬如钢的防弹背心；在离射武器方面如火炮、鱼雷等，纳米陶瓷可提高其抗烧结冲击能力，延长使用寿命。

目前，国外复合装甲已经采用高性能的高弹材料。

在未来的战争中，若能把纳米陶瓷用于车辆装甲防护，会具有更好抗弹、抗爆震、抗击穿的能力，提供更为有力的保护[19]。

3.1.3 纳米传感材料
采用微机电系统制作的微型环境传感器散布于武器装备的蒙皮上或外表面，能察觉细微的外界“刺激”，以便对武器系统适时调整。

例如，纳米材料制成的飞机上的灵巧蒙皮可根据飞行速度向飞行员提供最佳的飞行数据，并保证飞机的雷达信号特征降低到最小程度。

利用纳米材料制造潜艇的蒙皮，可以灵敏地“感觉”到海中水流、水温、水压等极细微地变化，能随时测定潜艇的速度，并及时反馈给中央计算机并使之进行操纵微调，从而将潜艇的信号特征减至最小，大幅度降低噪声，并大大节约能源。

此外，还可根据水波的变化提前“察觉”来袭的敌方鱼
雷。

使潜艇及时作出规避动作。

另外，纳米材料也可以大幅度减少飞行器在大气中或水中的摩擦力或阻力，使得飞行器可以飞行得更快、更远。

如果在鱼雷上涂上纳米材料，鱼雷可在海水中行走得更快，有利于迅速打击目标。

如果涂在导弹的表面上，导弹能力飞行得更快更远．使导弹能够有准备地追击及拦截敌的导弹和飞行器[20]。

3.1.4 纳米隐身材料
1991年，美国在海湾战争中首次使用的F117A隐身战斗机，由于机身上包覆了许多种纳米尺度的红外和微波隐身材料，飞机对雷达电磁波有强烈的吸收能力及散射能力，使得雷达及红外探测器均无法探测到飞机的存在。

在历时近1个半月的战争中，F117A战斗机执行任务达1270余架次，摧毁了伊拉克95％的重量军事目标，却无一架飞机受损。

隐身技术是20世纪军用飞机设计的一项革命性的技术，至今美国已发展到第三代隐身技术，典型的就是F-22“猛禽”隐身战斗机。

把隐身外形与飞机的气动外形进行了一体化设计，再加上十分有效的纳米吸波材料和吸波涂层的优化选择及配置，使飞机达到了最佳的隐身效果。

隐身涂料的研究已经成为现代军事对抗的一种手段。

该涂料指能有效地吸收入射雷达波并使其散射衰减的一类功能涂料。

在涂料中添加纳米材料，如纳米TiO2，可制成吸波隐身涂料，用于隐形飞机、隐形军舰等国防工业领域及其它需要电磁波屏蔽场所的涂敷。

纳米ZnO等金属氧化物是隐身涂料研究的热点。

美国投入巨资研制一项顶级绝密技术——纳米雷达吸收涂料。

每辆坦克只需花5000多美元，就可获得涂层薄、吸收率高和吸收带宽的隐身涂料，具有极高的军事利用价值。

四川大学等单位也开展了Ni等金属超细粉隐身涂料的研究，并已有小规模的应用[21]。

3.1.4 纳米磁性材料
当今的电子战就是利用电磁干扰和电磁欺骗来阻止和削弱敌人对电磁频谱的有效使用为目标，进而攻击对方用于发射或者接收辐射电磁波的电子装备和系统。

因此，在迅猛发展完善电子战技术的同时，现代军事通讯网、卫星接收等计算机网络中存在严重的电磁干扰。

抗电磁干扰滤波器（EMIF）安装在功率线引入端是解决这一严重问题的最佳途径。

作为EMIF器件的材料必须具备高磁导率和高饱和磁化强度,从而扩展其高频工作和降低芯损及成本。

纳米晶软磁材料具有高磁导率、高饱和磁通、低矫顽力、低铁损以及良好的频散特性等优点，是目前公认的综合性能优异的软磁材料，是传统材料不可比拟的在电子战中得到广泛应用。

铁基纳米晶具有Co基非晶合金优异的磁特性，而且饱和磁通密度比Co基非晶合金高，成本反而低。

[22]
3.2 纳米技术支撑下武器装备的微型化和智能化
3.2.1 飞行器类
这是世界各国目前投入人力、财力、物力最多的纳米武器研究领域，已经问世和投入应用的也最多
3.2.1.1 纳米卫星
美国于1995年提出了纳米卫星的概念。

这种卫星比麻雀略大，重量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，采用最先进的微机电一体化集成技术整合，具有可重组性和再生性，成本低，质量好，可靠性强。

一枚小型火箭一次就可以发射数百颗纳米卫星。

若在太阳同步轨道上等间隔地布置648颗功能不同的纳米卫星，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监测，即使少数卫星失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响[23]。

3.2.1.2 微型飞行器（纳米侦察机或微型无人机）
微型飞行器(Micro Air Vechicle, MA V)近年来发展很快，取得了很多成果。

它可以随身携带，配合单人或单兵使用，适合军用或民用的侦察需要。

MA V实际
上是一套复杂的、可在空中飞行的高水平多功能微机电系统，它一般都是由多套复杂的分MEMS系统组成。

它可以完成飞行、升降、自动导轨、侦察、信息传输、对敌干扰等多种任务。

由于它便于携带、成本低廉、维护使用方便、隐蔽性高等特点，有希望成为一种多用途军民两用装备。

微型飞行器的进一步微型化，是MA V研究发展的重要内容。

据有关资料报道，MA V大小的最终趋势是飞机的直径或翼展在18cm以下，重量在几十g至500g之间的无人机。

其外形酷似各种昆虫，可携带各种探测设备，具有信息处理、导航和通信能力。

其主要功能是秘密部署到敌方信息系统和武器系统的内部或附近，监视敌方情况。

这些纳米飞机可以悬停、飞行，根本不会被敌方雷达发现。

据说它还能适应全天候作战，可以从数百千米外将其获得的信息传回己方导弹发射基地，直接引导导弹攻击目标。

80年代末，美国驻某国大使馆的一重要
情报外泄，据美中央情报局特工调查分析后，断定该情报是被窃听方式弄走的。

他们采用各种方法反复检查，却没有发现窃听器安装在何处。

一个偶然的机会，美情报人员的电子测量仪发出了嘟嘟的报警声，而眼前只有几只乱飞的苍蝇。

围歼了这些苍蝇后，从它们身上找到了一颗砂石大小的微型电台。

3.2.1.3 纳米火箭
美国已制成一枚微型火箭，这种火箭只需花费几百英磅就能将有效载荷送入太空，大小只有半个火柴盒那么大。

它采用液态氧与乙醇的混合物作为燃料，可产生约13.2N的推力。

这使得微型火箭的推力质量比达到10000以上，这要比大型火箭的推力质量比远远大得多。

这种微型火箭是受蚂蚁的启发而进行研制的，小小的
蚂蚁可以举起相当于自身重量几倍的东西。

据美国宇航局(NASA)称，这种微型火箭很有可能将首先被用来帮助卫星定位。

3.2.1.4 纳米导弹
纳米导弹，俗称“蚊子导弹”，由于其隐蔽性、机动性及生存能力都发生了质的变化，故在现代战争中的作用更不可小视。

纳米导弹往往具有神奇的战斗效能，它们可以神奇地潜入目标内部，以足够的火力炸毁敌方的火炮、坦克、飞机和弹药库，或指挥部。

3.2.1.5 纳米弹药和纳米炸弹
科学家在实验中发现，如将金属铝或钢制成纳米级颗粒时，一旦遇见空气就会发生猛烈爆炸。

这一现象启发了科学家，如果将发射药物制成纳米级的颗粒，将会提高单位体积所释放的能量，不但会使弹头的初速及射程得以提高，而且还会使弹药的重量减轻，也即使武器的重量减轻，这样就便于携带及运输。

在2000年底，美国密歇根大学生物纳米技术中心的科学家在美国陆军犹他州试验均演示了一场“纳米炸弹”威力的试验。

其所装弹药仅为分子大小的颗粒，粗细均为针头的1/5000。

但它能摧毁人类的众多微生物敌人，包括含有致命的生物病毒——炭疸的孢子。

作为一种可以抵卸炭疸攻击的潜在武器，军方对纳米炸弹产生了浓厚兴趣。

这种纳米炸弹同样具有惊人的医用价值。

密歇根大学的科研人员现正在研制对目标有极具选择性的新型纳米炸弹。

它们能够趁大肠杆菌、沙门氏菌或李氏病菌到达大肠之前进行攻击。

3.2.2 地面爬行类
地面爬行类可以分为两部分。

一种是主动攻击类，如“蚂蚁”士兵、超微型攻击机器人等，它们既可以通过飞机、战车等各种作战平台布放，也可以通过火炮实施快速布撒，一次作战布设的数量可以很多，特别适合攻击敌方大兵力集结地和装备设施较集中的区域；另一种是被动式侦察类，该类可设计成小石子、树叶、小草等形状并布撒在一定的区域，其内装有高灵敏度的电子侦察仪、照相机和感应器；如果需要，它们还可以缓慢地自行移动，行至最利于探测的地方。

3.2.2.1 “蚂蚁”士兵
“蚂蚁”士兵是一种通过声波控制的微型机器人，其驱动能量来源于声能转换装置，只要有声音就能活动。

这些机器人比蚂蚁还要小，却具有惊人的破坏力。

它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中，长期潜伏下来。

一旦启用，这些纳米士兵就会各显神通：有的专门破坏敌方电子设备，使其短路、毁坏；有的充当爆破手，用特种炸药引爆目标；有的施放各种化学制剂，使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力[24-25]。

3.2.2.2 超微型攻击机器人
超微型攻击机器人可用来直接攻击和杀伤敌方作战人员。

它利用自身的传感
系统、处理和自主导航系统、杀伤系统、通信系统和电源等部分协调有序地完成打击任务。

采用纳米技术装备起来的机器人，将具有复杂气候条件下的昼夜攻击能力和全程通信、定位能力。

纳米军服可以隐身、防水等功能；纳米观测设备将具有望远、红外、特殊频段CCD扫描等观测功能；纳米感知设备将使机器人能够随时确定自己的位置、保持无线电联络、感知友邻与威胁，使未来作战突破自然因数的影响。

3.2.2.3 间谍“草”
这是一种像小草的微型探测器，它装置敏感的超微电子侦察仪器、照相机和纳米材料感应器，可侦测出数百米之外坦克和运输工具等出动时产生的震动和声音，可自动定位、定向和进行移动，绕过各种障碍物，并将结果及时传回指挥部。

战时可用飞机将无数小于1毫米的微型传感器散布于作战地区；也可以散布在茫茫的天空中来捕捉对方发射的导弹。

它的覆盖面积比现今远程探测系统还要大，还能实施连续监视。

3.2.3 水中兵器类
由于水下的特殊环境，水中兵器类的发展要比前两类相对滞后一些。

目前小阻力、低噪音、高爆炸力的纳米鱼雷已为一些国家海军看好，并将很快投入实战使用。

另一种微型侦察潜艇也能够在战前或紧急情况下投放到有关海域，以完成特定的侦察任务[26]。

4 纳米技术发展应用面临的问题[27]
尽管纳米技术是一项革命性技术，但目前尚不成熟，处在基础研究阶段，在军事上的应用也属科学实验和理论探讨阶段，存在的问题主要有：
(1)界定模糊。

什么是纳米技术？其实尚未科学界定。

从现状看，笼统可分为分子纳米技术和微加工技术，其内容较为庞杂、边界较为模糊，与其他学科也多有重叠。

(2)理论障碍。

微观世界是“量子论”的天下，纳米技术本质上是用原子重新构造物质的技术；实际是发现量子效应的人工的独特的结构技术。

也就是说，它在本质上从一开始就足以量子论支配的世界为前提的。

而量子论的基本原理就是“测不准原理”。

正是由于“测不准”的缘故，“迄今为止，研究人员仍然没有达到可以精确设计分子电子装置和量子效应，而这两者是纳米技术的基本组成的科学技术水平”。

(3)技术困难。

虽然2l世纪被称为是“光的时代”、“高信息化时代”、“生物工程时代”，但无论从哪一个方面说，其技术关键都是量子效应。

因此，纳米技术将引起计算机革命、光革命以至生物工程革命。

不过，意义越大，也意味着难度。