第六章 纳米材料在航空航天领域的应用2

1、上节重点p材料的分类；p纳米结构材料在航空航天材料中的应用；p金属材料与纳米金属材料的特性；p陶瓷材料与纳米陶瓷材料的特性；本节内容p高分子材料与纳米高分子材料；p纳米复合功能材料在航空航天材料中的应用； 源于自然，高于自然6.2.3 纳米聚合物聚合物聚合物聚合物/高分子：高分子：由成千上万个结构单元通过共价键连接而成的大分子，分子量104106。高分子材料：高分子材料：通过若干高分子链聚集以及高分子链与其它添加组分的相互作用而形成的材料。（1）塑料（2）橡胶（3）合成纤维（4）涂料（5）粘合剂高分子材料高分子材料/ /聚合物的聚合物的类型有哪些？类型有哪些？高分子材料与金属、陶瓷的主要不同：

2、p质轻；p对热、电有良好的绝缘性；(主要是共价键和部分范德华键)p强度、刚度低于金属，但比强度、比刚度接近金属；p韧性明显优于玻璃和陶瓷，不同的塑料的韧性可能低于、接近或高于金属；p力学性能：有玻璃态、高弹态和粘流态，强度较高；（在较大温度范围内受温度影响大；对外载荷的响应，塑性粘弹性）p湿度：影响明显；（对金属、陶瓷、玻璃力学性能基本无影响）p锈蚀性：许多塑料、橡胶是优异的防腐蚀材料；p老化问题：大气环境中老化。（金属、玻璃、陶瓷不明显）线性分子结构线性分子结构（1）塑料，塑料是一种用途广泛的材料，与其他材料相比，具有质量轻、耐腐蚀、比强度高、电性能好、色彩鲜艳、容易加工成型等特点，因此塑料

3、已成为航空航天领域的重要材料之一。一些典型的高聚物材料一些典型的高聚物材料一些典型的高聚物材料一些典型的高聚物材料聚聚乙乙稀稀塑塑料料布布（2）橡胶一些典型的高聚物材料一些典型的高聚物材料聚丙稀短纤维聚丙稀短纤维（3）合成纤维 当有机聚合物填料的尺寸达到纳米量级时，当有机聚合物填料的尺寸达到纳米量级时，能够极大地改善材料的性能，可将有机聚合物的能够极大地改善材料的性能，可将有机聚合物的柔韧性好、密度低、易于加工等优点与无机填料柔韧性好、密度低、易于加工等优点与无机填料的强度和硬度较高、耐热性好、不易变形等特点的强度和硬度较高、耐热性好、不易变形等特点结合在一起。称为结合在一起。称为“纳米聚合物

4、纳米聚合物/ /高分子材高分子材料料”。何为纳米聚合物何为纳米聚合物/ /高分子材料？高分子材料？纳米材料在高分子化合物中的作用： 将分散好的纳米微粒均匀地添加到树脂材料中，起到全面改善聚合物性能的目的：p耐热p耐候p耐磨p抗菌p等等性能由于纳米粒子的量子效应将给由于纳米粒子的量子效应将给材料带来了一系列力学、热力材料带来了一系列力学、热力学、化学、光学、电磁学等方学、化学、光学、电磁学等方面的新特征，被认为是面的新特征，被认为是21世纪世纪材料中的材料中的“超新星超新星”。 p 把纳米材料用于添加改性塑料，可以开发出各种新型的功能复合材料。p 通过对塑料进行填充改性，不仅可以提高塑料的力学性

5、能，而且还可以开发各种功能塑料，如导电塑料、磁性塑料、抗降解塑料、抗紫外耐老化塑料等。 以纳米塑料为例：纳米聚酯：聚对苯二甲酸乙二醇酯（纳米聚酯：聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETPET） p普通PET常用于灌装液体物品（如可乐、果汁、汽水等），但耐热性能较差，不能进行热灌装，并且阻隔性也不够好。p纳米PET瓶的优点：可以直接灌装较热的食用液体，也能包装啤酒、农药和其他物品；p纳米PET其它优点：比玻璃轻得多，不容易破碎，即使发生爆炸时危险性也较小，便于运输、储藏；可以方便地回收再利用，避免了玻璃瓶生产、回收过程中的环境污染；能用来制造电器部件，如电熨斗的底座、电饭煲的保温内胆和电源插座等。已实现产

6、业化的已实现产业化的纳米塑料纳米塑料 用纳米塑料制成的呈现金属光泽的包装瓶：高强度、高耐热性、高阻隔性、避光性、结晶速度快和易于加工。普通聚酯染色瓶纳米尼龙（聚丙烯酰胺）p尼龙是最早的合成塑料，但是极易吸潮，受热容易变形，例如尼龙丝袜就不能用热水洗涤。纳米尼龙则极大地提高了尼龙的耐温性能，长期在沸水中能保持不变形，力学性能也有很大改善，并且具有良好的阻隔性。p纳米尼龙可以吹制薄膜，是食品、衣物的优良包装材料；可以喷成纤维，纺成防爆轮胎用的高档帘子线；也能够制造优质管材和塑料齿轮、轴承。已实现产业化的已实现产业化的纳米塑料纳米塑料尼龙的晶胞单体：C=C-CONH2纳米尼龙-6复合材料制品：用于帘

7、子线、薄膜包装、轴承齿轮和管材。优点：高强度、高模量、高耐热性、高阻隔性、低吸湿性纳米尼龙6薄膜、纤维和帘子线纳米聚乙烯 超高分子量聚乙烯具有强度高、润滑性好、耐磨损、耐腐蚀、比重小等优点，但是极难加工。纳米超高分子量聚乙烯则很容易加工，同时还保持着它的全部优点。 纳米超高分子量聚乙烯能够制成各种规格的管材，用于江河疏浚传送泥浆，输送水煤浆、矿石、粮食、工农业和生活用水、天然气，代替笨重、不耐磨损、容易腐蚀的金属管道。 已实现产业化的已实现产业化的纳米塑料纳米塑料纳米聚乙烯管材：可连续挤出、注塑成型、耐磨损、高抗冲、耐开裂、自润滑、无毒、耐腐蚀、性能价格比高等纳米塑料与纳米橡胶中已实现产业化的

8、产品纳米塑料与纳米橡胶中已实现产业化的产品：p纳米聚乙烯（NPE）p纳米聚丙烯（NPP）p纳米聚苯乙烯（NPS）p纳米丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（NABS）p纳米尼龙6（NPA6）制造纳米高分子复合材料的关键 ：一、获得稳定的纳米分散相材料 ;二、解决分散相以其原生态在聚合物基体中均匀地分散分布 . 因为纳米材料在聚合物内 ,相分散程度及状态直接影响着复合材料的性能。 包括纳米无机粒子表面处理包括纳米无机粒子表面处理 (改性改性 )和同聚合物和同聚合物混合分散两个过程，混合分散两个过程，是是常用的方法。如PVC/纳米 CaCO3粒子复合材料的制备。 该法的技术难点是防止纳米无机粒子的团聚和均

9、该法的技术难点是防止纳米无机粒子的团聚和均匀分散。匀分散。由于纳米无机粒子的直径小、比表面大、粒子之间具有极大引力，使之极易团聚。而且一旦团聚 ，用常用的机械手段极难将其再次打散。 目前防止无机纳米粒子团聚的方法：将纳米无机粒子的表面进行改性处理 (有机修饰 )。一、共混法一、共混法常用的表面改性处理有物理法、化学法和物理化学法: 物理法表面改性处理主要有：1、表面物理包覆改性，实现粒子同聚合物包覆结合. 2、利用高能放电、紫外线、等离子射线照射纳米粒子，以引发单体在其表面聚合。 化学的表面处理有：1、用硬脂酸、硅烷钛酸脂类等偶联剂，对纳米粒子表面偶联处理 ;2、利用化学反应，在纳粒子表面接技

10、不同官能团聚合物，再同另一聚合物共混或共聚。 物理化学法改性：采用粉碎、摩擦纳米粒子的方法，强化粒子表面活性，使之同聚合物结合 。二、溶胶凝胶法 (Sol Gel)p 原理：原理：在聚合物存在的前提下，即聚合物溶解于同无机前驱物共溶的溶剂中，加入无机前驱物水解，制成溶胶。然后，在凝胶和干燥时，控制条件使其不发生相分离，形成聚合物 /无机相纳米粒子复合材料 。p 优缺点优缺点：反应条件温和，两相混合接近分子水平，材料纯度高，且高度透明。但由于溶剂挥发使制得的材料易收缩脆裂，加上共溶剂难选影响了其广泛使用。三、插层反应法p制造聚合物 /层状、片状、针状纳米无机层物复合材料的主要方法 。p 原理：原

11、理：片层结构的无机物,如硅酸盐类、滑石、云母、粘土 、磷酸盐类、石墨、金属氧化物等在一定的条件下,加入有机、无机或金属有机物分子产生化学反应 (即插层预处理 ),使其片层间距离扩大 ,然后将聚合物或其单体 ,在一定条件下插入经插层预处理后的层状无机物的片层之间,进而破坏其片层结构 ,将片层剥离成厚为 1 nm长宽均为 100 nm左右的层状单元微粒 ,并均匀地分散在聚合物基体中, 形成聚合物 /纳米无机物复合材料。p 分类：分类：按复合过程不同可分为插层聚合 (加聚或缩聚 )和聚合物插层 (溶液插层或溶融插层 )两种方法 。纳米塑料的制备原理图纳米塑料的制备原理图插层预处理插层预处理插层聚合聚

12、合物插层无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性和聚合物的韧性、可加工性及耐耐腐蚀性完美地结合起来，是典型的轻质高强材料。天然纳米材料天然纳米材料蒙脱土蒙脱土 其结构片层是纳米尺度的，包含有三个亚层，在两个硅氧四面体亚层中间夹含一个铝氧八面体亚层，亚层之间通过共用氧原子以共价键连接，结合极为牢固。整个结构片层厚约1 nm，长宽约100 nm，由于铝氧八面体亚层中的部分铝原子被低价原子取代，片层带有负电荷。过剩的负电荷靠游离于层间的Na+、Ca2+ 和Mg2+等阳离子平衡，因此容易与烷基季铵盐或其它有机阳离子进行离子交换反应生成有机化蒙脱土，交换后的蒙脱土成亲油性，并且层间的距离增大。 有机蒙脱土能进

13、一步与单体或聚合物熔体反应，在单体聚合或聚合物熔体混合的过程中剥离为纳米尺度的结构片层，均匀分散到聚合物基体中，从而形成纳米聚合物。 功能纤维添加剂：纳米SiO2，纳米TiO2，纳米Al2O3，纳米ZnO等。复合材料 (Composite Materials)6.2.4 纳米复合材料p定义：两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料复合而成的多相材料称为复合材料。p多相，连续相与增强相， 相的数量，相的作用切诺基后举升门，利用纳米SiO2红外强吸收功能，制成有红外吸收功能的玻璃钢。微米复合材料：微米复合材料：如用于制造船体、汽车外壳的如用于制造船体、汽车外壳的玻玻璃钢璃钢和制造汽车保险杠的和制

14、造汽车保险杠的聚丙烯聚丙烯/碳酸钙碳酸钙复合材料。复合材料。 纤维增强材料一直是各类飞机的重要材料之一，并且飞机的性能随着纤维增强复合材料性能的提高而不断提高。 早期的飞机用纤维复合材料为玻璃纤维增强树脂基复合材料，虽然该材料强度高，但有密度大，弹性模量低的缺点。为了制备高比强度、高比弹性模量的新型复合材料，相继开发了硼纤维、碳纤维、芳纶纤维等纤维增强复合材料。为了进一步开发轻质、高比强度、耐冲击性的航空航天结构材料，纳米增强纤维、纳米碳管复合增韧补强材料正在成为各国研究的焦点。纳米复合材料在航天航空领域的典型应用碳/碳复合材料（C/C） 碳/碳复合材料是以性能优异的碳纤维增强的碳基复合材料，

15、它是用热固性树脂把聚丙烯腈系碳纤维或沥青系碳纤维加固，然后在1000度左右碳化处理或是在2000至3000度范围内加以石墨化处理得到的。纳米复合材料在航天航空领域的典型应用碳/碳复合材料（C/C） 作为新型结构材料，其最大的特点是高温下的高强度与高模量，在1500C以上仍能保持室温时的强度甚至还有所提高； 由于高温下因基体碳纤维之间失配而形成的裂纹可以闭合，使C/C复合材料的纵向、横向的拉身强度与剪切强度随温度升高而升高。而且，受载一旦超过基体断裂应变时，基体裂纹引起界面脱粘而不会穿过纤维，碳纤维仍可继续承载，呈现假塑性断裂，使C/C具有较高的断裂韧性和冲击强度； 具有唯一的组成元素C，仍能保

16、持许多碳材料的优点：密度低、低蠕变、高导热性、低膨胀系数、耐高温、耐腐蚀、耐热冲击等； 是目前唯一可用于2800 C高温使用的复合材料。纳米复合材料在航天航空领域的典型应用C/C复合材料的制备方法 化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）：通过气相（甲烷、丙烷、乙炔等）的分解或反应生成固态物质并在固定基体上成核、生长； 液态浸渍含碳量高的高分子物质的碳化液态浸渍含碳量高的高分子物质的碳化： 即碳纤维预成型体经过浸渍聚丙烯腈系树脂碳纤维或沥青系碳纤维，先预固化，再经碳化后获得基体碳。C/C复合材料的应用： 航天飞机的头罩和前缘； 超音速飞机的减速板； 火箭喷嘴材料； 火箭发动机材料； 民用飞机的制动

17、构件等。（可承受上千温度苛刻条件的耐热构件）C/C复合材料的最大弱点： 在温度高于600度的条件下容易氧化。为此需采用陶瓷覆层或碳/陶瓷复合的方法来提高材料的抗氧化性。 成本高。为此应在降低碳纤维价格和开发廉价沥青系碳纤维方面下工夫，改进工艺，提高致密化与碳化率。纳米功能材料在航空航天领域的应用-神奇的航空航天功能材料与功能材料复合涂层结构材料：结构材料：主要利用其力学性能力学性能的材料。功能材料：功能材料：将光、声、电、磁、热、压力、位移、角度、重量、速度、加速度、化学成分等转换为电信号，或将其某一种形式的能量转换为另一种形式的能量，从而实现对能量和信号的传感、转换以至储存等功能的材料。功能

18、材料与结构材料的不同？典型纳米功能材料举例1、航天航空用红外材料2、航天航空用激光材料3、隐形技术及隐形材料4、纳米传感材料5、纳米功能材料涂层1、航天航空用红外材料 红外探测器材料 红外透射光学材料用于中、远红外成像制导。碲镉汞(HgCdTe)是目前最受重视的二维焦平面列阵探测器的关键材料。用于飞机、导弹、人造卫星、宇宙飞行器的红外系统的整流罩。最主要的要求是在相应于探测器的工作波段上有尽可能高的透射率。高硬度的蓝宝石、尖晶石。典型纳米功能材料举例：2、航天航空用激光材料p激光制导雷达：激光制导雷达：在激光制导雷达方面已取得很大突破，但有些基本问题尚未解决，而影响这些问题的关键是非线形光学材

19、料。p激光雷达激光雷达：现在国际上出现了声光控制快速扫描技术，大大提高了激光雷达的扫描速度和探测精度，关键就是要求一种“梯度晶体”功能材料。p高能激光武器：高能激光武器：开发与高能激光器相适应的耐热材料及镀膜技术十分必要。（激光技术中涉及大量的光学材料问题。）典型功能材料举例：典型纳米功能材料举例：（1） 光谱迁移性：光谱迁移性：即纳米材料的荧光发射峰发生蓝移或红移。（2）光学吸收性：）光学吸收性：即纳米材料对光的不透射性和不反射性。（3）光学发光性）光学发光性：即纳米材料的光致发光现象和电致发光现象的变化。（4）光学催化性：）光学催化性：即纳米材料利用自然光可催化降解有机化合物污染物，生成无

20、毒、无味和简单的小分子。纳米材料的光学性质3、隐形技术及隐形材料 雷达波隐形材料 红外隐形材料针对雷达利用无线电波发现目标并测定位置的规律。针对红外探测器。典型纳米功能材料举例：雷达波隐形材料（雷达波吸收材料或微波吸收材料）p 基本要求：吸收雷达波，即当电磁波穿过材料时，电磁波能被吸收并转化为热能，从而使入射电磁波的能量耗损。p 应具备的基本条件：对电磁波最大的吸收；最小的反射，宽的吸波范围；高的机械特性；最小的体积空间和重量；大的工作温度范围。p 只有高效能的复合材料或复合薄膜、涂层才有可能具备上述条件。分为两种：涂敷型和结构型。美国F117A型飞机蒙皮上的隐身材料就含有多种超微粒子，它们对

21、不同波段的电磁波有强烈的吸收能力。 主要原因： 一方面，由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用； 另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大34个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。为什么超微粒子，特别是纳米粒子对红外和电磁波有隐身作用呢?纳米微粒制成的隐身材料纳米微粒制成的隐身材料 纳米隐身材料虽在很多方面都有广阔的应用前景，但当前真纳米隐身

22、材料虽在很多方面都有广阔的应用前景，但当前真正发挥作用的大多在航空航天与军事有密切关系的部件上。正发挥作用的大多在航空航天与军事有密切关系的部件上。一个原因是对于上天的材料有重量轻的要求。一个原因是对于上天的材料有重量轻的要求。 常用的纳米微粒：常用的纳米微粒：纳米氧化铝、氧化铁、氧化硅和氧化钛的纳米氧化铝、氧化铁、氧化硅和氧化钛的复合粉体，纳米级的硼化物、碳化物，包括纳米纤维及纳米复合粉体，纳米级的硼化物、碳化物，包括纳米纤维及纳米碳管碳管等，特别是前者在隐身材料对中红外波段有很强的吸收等，特别是前者在隐身材料对中红外波段有很强的吸收性能，对这个波段的红外探测器有很好的屏蔽作用。性能，对这个

23、波段的红外探测器有很好的屏蔽作用。 纳米磁性材料纳米磁性材料放人涂料中，既有优良的吸波特性，又有良好放人涂料中，既有优良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散红外线的性能，加之比重轻，在隐身方面的应的吸收和耗散红外线的性能，加之比重轻，在隐身方面的应用上有明显的优越性。另外，这种材料还可以与驾驶舱内信用上有明显的优越性。另外，这种材料还可以与驾驶舱内信号控制装置相配合，通过开关发出干扰，改变雷达波的反射号控制装置相配合，通过开关发出干扰，改变雷达波的反射信号，使波形畸变，或者使波形变化不定，能有效地干扰、信号，使波形畸变，或者使波形变化不定，能有效地干扰、迷惑雷达操纵员，达到隐身目的。迷惑雷达操纵员

24、，达到隐身目的。4、纳米传感材料 传感器在军事上应用极为广泛，尤其在探测设备方面应用前景引人注目。纳米传感器的研究还刚刚起步，但它已显示出其它传感器无法企及的优点：敏感度高、形体小、能耗低、功能多等。典型功能材料举例：p 纳米材料制成飞机上的灵巧蒙皮可以察觉极细微的外界“刺激”，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。p 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、水压等极细微的变化，能随时测定潜艇的航速，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。还可根据水波的变化提前“察觉”到来

25、袭的敌方鱼雷，使潜艇即使做规避动作。传感器应用-灵巧蒙皮p 金属纳米粒子膜具有很强的从可见光到红外线整个范围的光吸收率。大量的红外线被金属膜吸收后转变为热，由膜和冷接点之间的温度差可测出温差电动势，因此可制成辐射热量测量器，战场上可测出敌方人员、武器装备等与背景之间微弱的温度差。传感器应用-红外传感器p 气体传感器通常是利用金属氧化物随周围气体组成的改变，致使电阻等发生变化来对气体进行检测和定量测定的。组成气体传感器材料的微粒粒度越小，比表面积越高，传感器与周围气体的接触而发生相互作用越大，敏感度越高。用二氧化钛、二氧化锆等组成的传感器可用于氧、氮等气氛的预报。用氧化锡膜制成的气体传感器，可用作战场化学剂的报警、可燃气体泄漏报警和湿度变化预报等。传感器应用-气体传感器各种涂层在航天、航空领域的应用：有机涂层:无机涂层火箭、飞机蒙皮等火箭、飞行器的发动机部件及燃烧室等典型功能材料举例：防止金属材料的腐蚀和延缓复合材料的老化，从而保证飞机安全飞行和延长飞机寿命的基本措施。航空航天航空航天涂层的分类特点涂层的分类特点 结构涂层：高强度、耐摩擦、耐高温、耐腐蚀、抗氧化，如各类氧化物、碳化物、氮化物涂层等； 功能涂层：