纳米材料在航空航天领域的应用.

航空航天技术的发展对材料科学 提出的新要求：
l 高强度 l 低的密度 l 耐高温(部分材料) l 耐腐蚀(部分材料) l 耐摩擦(部分材料) l 耐高压等性能(部分材料)
航空航天飞行器在飞行时不同部位的温度
2 纳米结构材料在航空航天 领域的应用
纳米金属 纳米陶瓷 纳米聚合物 纳米复合材料
制造飞机及航天器的主要结构材料包括：
纳米金属的典型应用
纳米铝合金和镁合金及其纳米金属间化合物 弥散补强的新型材料大幅度提高材料强度，减 轻飞行器的质量，从而提高飞行器的速度与性 能。
纳米氧化物弥散强化高温合金具有良好的高温 强度、优异的抗氧化、耐摩擦以及耐高温腐蚀 等性能，已部分用于航空发动机导向叶片、涡 轮工作叶片。
几种纳米金属及其特殊用途：
H=Ho+Kd-1/2
表明：随晶粒尺寸的减小，屈服强度和硬度是增加
的，它们都与d-1/2成线性关系，同时保持良好的塑
性和韧性。
构成金属材料的晶粒尺寸减小到纳米量级，材料在室温下 应具备很好的塑性变形能力纳米晶铜，在室温下冷轧竟从1厘 米左右的长度延伸到近1米，厚度也从1毫米成为20微米（图下 方）。室温下的超塑性变形达50多倍而没有出现裂纹。
火箭发射
弹头材料 弹头材料设计：减轻重量，耐热问题（热障，8000-10000K，10MPa）
航天材料包括：
运载火箭箭体材料、导
弹弹头材料、发动机材
运载火箭及导弹材料 料
{ 航天飞行器材料
卫星、空间站、载人
航天功能材料
飞船等的材料
控制系统、卫星遥感、遥 控和跟踪所需材料
要求： 绝对的可靠性； 减轻重量,“为减轻每一克重量而奋斗”。
陶瓷的制造工艺
配料 混合和塑化处理 成型 烧结
根据不同种类 材料的理化性 能、尺寸及外 形、并考虑有 关工艺因素， 制定相应的配
使两种以上不 均匀物料的成 分和颗粒度均 匀化，促进颗 粒接触和塑化 的操作过程。
使陶瓷坯体致密化，
泥料或熔液借助 并使之成为具有某种 外力和模型，成 显微结构的步骤。主 为具有一定尺寸、 要影响因素： 形状和强度的坯 ▪粉末颗粒的尺寸和 体或制品的过程。 活性；
还记得 Hall-Perch(H-P)关系吗？
当晶粒减小到纳米级时，材料的强度和硬度随粒径 的减小而增大，近似遵从经典的Hall-Petch关系式， 即：
y= o+Kd-1/2。
（ y 为屈服应力， o是移动单个位错所需的克服点阵摩
擦的力，K是常数，d是平均晶粒尺寸）。
如果用硬度来表示，关系式可表示如下 ：
制造飞机和航天器的主要结构材料
马赫数与用材的一般规 律：
>3.5：发动机入口温度已很 高，需用超级合金了，但其 机身用钛量则显著增加。
<2：飞机发动机使用一部分 钛及其合金，机身一般用铝 合金。
=2：其发动机用钛量增加，
而且机身也部分需要用钛。
钛和钛合金：“航空金属”。强度高、耐热性和耐腐蚀性好。 主要用于飞机发动机和机身。
现代各种军用和民用飞机及航天器结构 用材的新格局：
l 铝合金 质量轻，强度高，传统
的飞机或飞行器蒙皮材料； （新 ）铝-锂，铝-钪。
l 钛合金 比强度高(是铝合金的5
倍）,发动机和飞机构架上。 “未来的金属”
l 超合金 镍基、铁基和钴基合金
的总称
l 复合材料 金属基复合材料、树
脂基复合材料、C-C复合材料、 梯度功能材料
右：新一代空间站:国际空间站
纳米陶瓷
l特殊环境舍我其谁?
以其良好的耐高温、耐腐蚀、抗氧化、高强 度、高硬度等性能，广泛用作航空航天飞行器和 火箭等的发动机、燃烧室等热阻型高强材料和耐 高温涂层材料等。
1、纳米粉体对陶瓷烧结过程的影响； 2、纳米粉体在陶瓷改性中的应用
纳米粉体对陶瓷烧结过程的影响：
纳米铁；高性能磁记录材料；磁流体；吸波材料；导磁
浆料；纳米导向剂。
纳米铜；金属和非金属的表面导电涂层处理；高效催化
剂；导电浆料。
纳米镍；磁流体；高效催化剂；高效助燃剂；导电浆料；
高性能电极材料；活化烧结添加剂；金属和非金属的表面
导电涂层处理。 纳米钴；高密度磁记录材料；磁流体；吸波材料。 纳米锌；高效催化剂。
金属材料强度与韧性的关系
纳米金属的典型应用
例1. 6nm的铁晶体压制而成纳米铁材料，比普 通钢铁强度提高12倍，硬度提高2～3个数量级， 可以制成高强度、高韧性的特殊钢材。
例2. 纳米铜或纳米钯的块体材料的硬度比起常 规材料来足足提高了50倍，屈服强度也提高了 12倍。
例3. 纳米Co-WC的硬度比普通Co-WC提高1倍以 上，且韧性和耐磨性均显著改善。
典型钛合金：Ti-0.06Al-0.04V
采用纳米金属及其复合结构材料的原因：
纳米增韧补强的新型复合结构材料将可大幅度提高 材料的强度，降低材料的用量，减轻飞行器的质量， 从而提高飞行器的飞行速度和性能。
如：密度只有约铝合金50%的锂-镁合金等，以其 塑性好、强度高等特性开始大量用作导弹、宇宙 飞船的结构材料。为了进一步提高这些新型合金 的性能，纳米相及纳米金属间化合物弥散补强合 金的研究已引起各国科技人员的关注。
俄罗斯科学
院专家们利用纳
米焊接技术对
“和平号”太空
站的外壳裂纹及
仪表等进行了多
次成功的纳米焊 接修补。使和平 号太空站的服役 时间延长了近3倍。
Fra Baidu bibliotek
左：俄罗斯“和平号” 站，世界上第一个长久 性空间站。其核心舱于1986年2月20日发射， 能提供基本的服务、航天员居住、生保、电力 和科学研究能力。联盟-TM载人飞船为和平号接 送航天员，进步-M货运飞船则为和平号运货。
铝合金为主， 钢用量明显减少， 钛合金用量明显增加。
高温粉冶铝合金在减轻飞行器重量、降低成本和可保养性等方 面具有明显的优势。
蒙皮
加强隔框
铝
合
金
飞
机
起落架
翼肋 机翼前梁
机翼后梁
典型铝合金： Al-0.071Fe0.06Ce, Al-0.08Fe0.01V-0.01Si
钛及其合金 “未来的金属”
航空材料有哪些？
航空材料包括：
大量采用高比强度和高
比模量的轻质材料， 提
飞机机体材料
高飞机的结构效率，降 低结构重量系数。
{发动机材料
飞机的心脏，针对高
机载设备材料和武器
温材料的发展需求， 开发高推重比材料。
各种微电子、光电子、 传感器等的的光、电、 声、磁、热的多功能 材料。
航天材料有哪些？
具有重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀等许多 优特性，是具有发展前途的新型结构材料。
航空工业：飞机机身和蒙皮、发动机、尾锥、 喷管、弹射舱、防火壁、夹层结构机身机架、 连结件和其它零件。
宇宙航行工业：飞船的液体燃料贮箱、高压 容器、船舱、蒙皮、结构骨架、制动火箭主 起落架、火箭、导弹高压容器、液体燃料贮 箱、外壳、喷嘴、火箭发动机。
纳米材料在航空航天领域中的应用
纳米技术第一组: 张磊 李宙翰 张航 岳剑波 刘晨
纳米材料在航空航天领域中的应用
1 材料的主要类型 2 纳米结构材料在航空航天中的应用 3 纳米功能材料在航空航天中的应用
纳米材料在航空航天有着极其 广泛的应用前景:
① 纳米结构材料 ② 纳米功能材料 ③ 纳米粉体 ④ 纳米涂层
▪添加剂；
方，确定材料
▪温度；
的原料组成。
▪保温时间；
▪压力；
▪气氛。
金属材料（铝合金、镁合金、钛合金、锂合金、 合金钢等）
非金属材料（特种陶瓷等） 高分子材料（工程塑料、纤维复合材料等） 复合材料（各类复合材料等）
纳米结构材料正广泛用于航空航天飞行器中：
机身及其辅助装置； 机翼； 发动机及其部件； 螺旋浆； 火箭喷嘴； 点火器等。
纳米材料应用于纳米焊接的原因：
一方面，随着颗粒尺寸的减小，纳米材料的熔点下降；
另一方面，随着颗粒比表面积的提高，扩散速率大幅度上升。 因为具有较大的界面体积百分比的物质具有高的扩散系数。纳 米材料或纳米颗粒具有极高的界面或表面比，利用纳米材料高 的扩散速率，可实现特殊金属材料的固态扩散结合。
纳米焊接的应用
(2) “发汗”金属
研究背景和原因：
在通过火箭作为运载工具，将卫星、宇宙飞船、航天飞机发 射到天空时，由于火箭燃烧室内化学燃料燃烧时产生高温高 压气体，通过喷嘴高速向后喷射产生巨大的反作用力，从而 推动火箭体高速飞行，飞行速度可高达4000 m/s。高速飞行 的火箭体与空气摩擦产生极高的温度。就是最高熔点的金属 钨(熔点3380℃)也难以承受如此的高温高压。
用“发汗金属”制成的火箭喷嘴，随着温度的升 高，铜或银就逐渐熔化、沸腾、蒸发，并及时吸收大 量的热量，从而保护了喷嘴骨架，保证了火箭的正常 运行。
关键：为保证发汗金属的冷却效果及骨架的强度，纳 米介孔复合材料的结构非常有效。
(3) 纳米焊接
研究原因：金属焊接通常都是在高于金属熔点的高温下 进行，但是，对于飞行器外壳或其他部件的焊接将是非 常困难的，为了保证相关仪表及传感器不受影响，只有 采用纳米焊接。
出汗是生物体一种常见的现象，出汗有着重要的生理 作用，其主要作用之一是调节体温，通过汗液的蒸发 带走部分热量。
问题：在航空航天技术中，人们能否向生物学习，研 制出 “发汗” 金属，使其在高温下出汗散发热量呢？
“发汗金属”的研究：
把金属钨制成介孔的金属骨架，以相对低熔点的 铜或银等填充在孔隙或“汗孔”中，就能制成“发汗 金属”。