第8讲 纳米材料在航空航天领域的应用

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领域中的应用根据构成材料的化学结合键的类型分：金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料材料的各种不同的分类方法按材料的性质和用途，大致分为：结构材料功能材料。“三足鼎立”，构成现代工业的三大材料体系。1材料的主要类型金属材料的历史与未来：铜的发现：公元前3500年；以后发展了冶炼青铜（Cu-Sn合金）的技术；炼铁技术：公元前1000年；以后发展了渗碳法炼钢。最近，传统金属材料的用量明显下降，大量新型金属材料的发现拓宽了金属材料的使用范围----金属材料的基本特性有哪些？结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构；在常温下一般为固体，熔点较高；具有金属光泽；纯金属范性大，展性、延性大；强度较高；导热和导电性好；在空气中易被氧化。汽车工业分类：硼化物陶瓷功能陶瓷{{高温结构陶瓷氧化物陶瓷氮化物陶瓷碳化物陶瓷最古老的材料技术：公元前一万年，古人就学会了以粘土为原料成型后经火烧制成陶器的技术；瓷器、容器、器皿。现代具有特殊性能的陶瓷称为先进陶瓷或精细陶瓷、特种陶瓷。典型性能：高温力学性能；高温稳定性能；电学性能；光学性能；功能转换性能。陶瓷材料特殊环境舍我其谁?石器陶器艺术陶瓷--结晶釉陶瓷材料的特点有哪些？化学键为离子键、共价键以及它们的混合键；硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能；自由电子数目少，导热和导电性较小；耐化学腐蚀性好；耐磨损；成型方式为粉末制坯、烧结成型。一些典型的现代陶瓷功能陶瓷材料在汽车上的应用氮化硅陶瓷氧化铝陶瓷器件氧化铝陶瓷器件高技术产品及其应用高分子/聚合物材料：由成千上万个重复性的单元小分子通过共价键连接而成的大分子，分子量104~106。分子量没有一个特定值而只有一个分布范围。源于自然，高于自然聚丙烯结构式麻的使用高分子科学是一门年轻的学科，但人类使用高分子材料则可追溯到远古时期：天然聚合物—麻黄自然界的天然聚合物马王堆汉墓出土的丝绸天然橡胶塑料的应用杂链聚合物结构模型图四类材料的饼图1、金属材料2、无机非金属材料3、高分子材料4、复合材料材料的通常分类：材料的复合结构：几种典型的分散复合结构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纳米涂层航空材料有哪些？机载设备材料和武器航空材料包括：{飞机机体材料发动机材料大量采用高比强度和高比模量的轻质材料，提高飞机的结构效率，降低结构重量系数。飞机的心脏，针对高温材料的发展需求，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。火箭发射航天材料有哪些？弹头材料弹头材料设计：减轻重量，耐热问题（热障，8000-10000K，10MPa）航天功能材料航天材料包括：运载火箭及导弹材料航天飞行器材料{要求：减轻重量,绝对的可靠性；“为减轻每一克重量而奋斗”。运载火箭箭体材料、导弹弹头材料、发动机材料卫星、空间站、载人飞船等的材料控制系统、卫星遥感、遥控和跟踪所需材料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6.2.1纳米金属6.2.2纳米陶瓷6.2.3纳米聚合物6.2.4纳米复合材料2纳米结构材料在航空航天领域的应用制造飞机及航天器的主要结构材料包括：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）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。纳米结构材料正广泛用于航空航天飞行器中：(1)纳米金属及其复合结构材料(2)“发汗”金属(3)纳米焊接2.1纳米金属金属材料自身潜力远未穷近。黑色金属：铁和以铁为基的合金（碳钢、铸铁、铁合金）有色金属：黑色金属(Fe、Cr、Mn)以外的所有金属及其合金。重金属轻金属贵金属稀有金属合金两种或两种以上金属元素构成以构成材料的元素种类分：以材料组分的复杂程度分：{{纯金属（铜，铅，铝，钛）(1)纳米金属及其复合结构材料金属材料的分类不同材料的拉伸应力--应变曲线现代各种军用和民用飞机及航天器结构用材的新格局：铝合金为主，钢用量明显减少，钛合金用量明显增加。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。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”超合金镍基、铁基和钴基合金的总称复合材料金属基复合材料、树脂基复合材料、C-C复合材料、梯度功能材料蒙皮翼肋加强隔框起落架机翼后梁机翼前梁铝合金飞机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。典型铝合金：Al-0.071Fe-0.06Ce,Al-0.08Fe-0.01V-0.01Si钛及其合金“未来的金属”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。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。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。典型钛合金：Ti-0.06Al-0.04V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。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。（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）。还记得Hall-Perch(H-P)关系吗？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。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。如果用硬度来表示，关系式可表示如下：H=Ho+Kd-1/2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。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。纳米金属的典型应用例4.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。例5.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：纳米铁；高性能磁 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 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。金属基纳米复合材料与技术金属基纳米复合材料的制备：挤出法如高强度铝合金Al-Ni-Mn合金。将纳米级的粉末真空脱气后封管，在400度左右温度下挤出，制成20~100mm的材料。挤出材的组织为30~50nm的Al3Ni及10nm的Al11Mn2均匀分散于Al的母相中的纳米复合相。非晶态合金晶化法由非晶态合金的结晶化处理得到晶体-非晶态纳米组织。如及急冷时控制冷却速度、含非晶态相的合金再进行热处理的方法等。机械合金化结合加压成块法把组成颗粒不断反复冷焊和断裂，制成纳米粉末，再使用热压等技术制成纳米复合材料。金属基纳米复合材料与技术金属基纳米复合材料的制备：循环塑性变形细化晶粒法如日本京都大学用Ag-Cu70%循环加压变形100次得到细小组织的过饱和合金，以及将Cu-Fe反复加压制成块状金属层状复合材料，每层厚度5~30nm。烧结法制备金属基纳米复合材料。如将铝粉和AlN颗粒尺寸降至30~40nm，制备好的混合粉末在大的压力下热压烧结，可得高密度纳米复合材料。金属基纳米复合材料与技术金属基纳米复合材料的力学性能的改善和应用：力学性能：包括弹性摸量、弹性延伸、拉伸（压缩）强度、伸长率和冲击韧性。母相粒径为30~40nm以上时，纳米复合材料屈服强度增加：由母相晶粒的细化和第二相分散强化造成。母相粒径为30~40nm以下时，Hull-pitch关系不成立，反而是晶粒尺寸减小，屈服应力减小。原因：因为粒径为30~40nm以下时，晶界滑移起支配作用，晶界不起晶内的滑移位错的聚集点反而是位错的消灭点。还有30nm以下的晶粒内基本不存在位错，而且很容易在晶界消减。这些都是强度降低的原因。金属基纳米复合材料与技术金属基纳米复合材料的力学性能的改善和应用：由纳米金属颗粒析出而造成的异常强化现象的原因：①约10nm以下的微小金属颗粒内部不能产生位错，是不含缺陷的完整颗粒，具有与理想强度相近的强度；②金属纳米颗粒可有效抑制非晶态相的剪切变形；③非晶态/结晶界面可认为是液态/固态界面，其界面能比固态/固态界面能低1个数量级，处于不含过剩空孔的高密度原子排列状态，导致裂纹不易产生。金属基纳米复合材料与技术主成分为Al-Ni-Mn系合金经挤出法，形成纳米复合材料。挤出材的性能与挤出条件关系很大。密度为2.9~3.2g/cm3，弹性模量85~94GPa，2%屈服强度600~850MPa，塑性伸长率1.5~10%，V形缺口冲击韧性5~8J/cm2，耐热强度500MPa（200度），259MPa（300度），107循环后室温疲劳强度270MPa，150度时220MPa。这种纳米结晶的铝合金的比强度和比钢性超过商用的铝合金、不锈钢甚至钛合金。利用这些特性，可以制作高速运动的机械部件、机器人部件、体育用品和模具。举例-----高比强度铝合金(2)“发汗”金属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？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4000m/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。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”。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。“发汗金属”的研究：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；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。(3)纳米焊接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。纳米焊接的应用左：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。右：新一代空间站:国际空间站应用对象：金属材料，部分特殊的陶瓷材料例如，银的熔点约为900℃，而超细的银粉液相烧结温度可以降低几百度。因此用超细银粉制成导电浆料，可以在较低温下进行烧结，此时基片不一定采用耐高温的陶瓷材料，甚至可采用塑料等低温材料。金的熔点在一般情况下是1064℃，加工成l0nm左右的粉末之后，熔点(液相烧结温度)降至940℃，如果将其进一步加工至2nm左右，金在大约833℃就可出现液相。在用于加工某些高熔点、难成形的陶瓷时，只要将陶瓷加工成纳米粉末，便只需用不高的温度即可将其熔化并烧结成耐高温的元件。这对研制新一代高速发动机来说是一个很好的选择，因为要提高发动机的效率需要提高燃气的温度，而这需要能承受超高温的材料。2.2纳米陶瓷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。配料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，制定相应的配方，确定材料的原料组成。1、纳米粉体对陶瓷烧结过程的影响：陶瓷的制造工艺混合和塑化处理成型烧结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。泥料或熔液借助外力和模型，成为具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制品的过程。使陶瓷坯体致密化，并使之成为具有某种显微结构的步骤。主要影响因素：粉末颗粒的尺寸和活性；添加剂；温度；保温时间；压力；气氛。气相法、液相法、高能球磨法等。气相法包括：惰性气体冷凝法、等离子法、气体高温裂解法、电子束蒸发法等；液相法包括：化学沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法、水热法等。纳米陶瓷粉体的制备方法主要有：1、纳米粉体对陶瓷烧结过程的影响：在烧结过程中，实现致密化的关键是物质的迁移，即扩散和流动。流动只能在出现液相时才能进行，因此，对于难烧结的陶瓷，引进添加剂，促进液相生成是非常重要的。扩散对于致密化是非常重要的，一般认为陶瓷烧结主要还是依靠表面与界面的扩散以及晶内扩散等扩散机理来进行的。扩散的路径很多，它可以通过颗粒内部表面粒界，也可通过气相或液相来进行。在粉末体系中，扩散传质过程的速率显然与粒子间的接触面积密切相关。烧结过程的主要驱动力：粉料表面能引起的表面应力。式中，r为表面曲率半径；ν为表面能。粒子尺寸越小，P越大，烧结越容易进行。纳米微粒颗粒小，比表面及表面能大并有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化的速度快，还可以降低烧结温度。目前材料科学工作者都把发展纳米高效陶瓷作为主要的奋斗目标，并在实验室已获得一些结果。从应用的角度发展高性能纳米陶瓷最重要的是降低纳米粉体的成本，在制备纳米粉体的工艺上除了保证纳米粉体的质量，做到尺寸和分布可控，无团聚，能控制颗粒的形状，还要求生产量大，这将为发展新型纳米陶瓷奠定良好的基础。式中，Vd为致密化速率；ν为表面能；D为扩散系数；d为粒子直径；m=3~4。烧结速率是由驱动力、传质速率及颗粒间接触面积所决定的，而它们又都与粉料的粒径密切相关，并可定性表示为：先进陶瓷材料的优点:在高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用。如何克服？致命弱点:脆性{相变增韧晶须增韧颗粒增韧2、纳米粉体在陶瓷改性中的应用通过改进工艺和化学组分等方法来克服陶瓷脆性的尝试都不太理想。陶瓷界专家一致认为，20世纪最后5年到下个世纪初，陶瓷业将从先进陶瓷进入到纳米陶瓷的阶段，这是陶瓷发展的又一次新的飞跃：未来的纳米陶瓷。不同材料的拉伸应力--应变曲线由于结构的纳米化，使陶瓷的原有性能有很大的改善，以至发生突变或出现新的性能或功能：晶粒尺寸减小时硬度会明显提高，而且在一定的硬度下，晶粒越小，韧性越好。因此在硬度和韧性方面有望取得突破性进展。即指其原料及显微结构中所体现的晶粒、晶界、气孔和缺陷分布等的尺度都在纳米级的陶瓷。所谓的纳米陶瓷是什么？纳米粉体在陶瓷改性中的几个应用举例用纳米氧化铝与亚微米的二氧化硅合成制成的莫来石是一种非常好的电子封装材料，可以提高致密度、韧性和热导性；将纳米碳化硅(小于20%)掺人粗晶的碳化硅粉体中，当掺入量为20%时，这种粉体制成的块体的断裂韧性提高了25%。纳米级ZrO2陶瓷的烧结温度比常规的微米级ZrO2瓷烧结温度降低400℃。纳米氧化铝添加到氧化铝陶瓷中，显著地起到增强和增韧作用，提高氧化铝的致密度和耐热疲劳性能。