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硬如鉆石，輕如羽毛：納米金剛石在航空航天中的奇妙應(yīng)用
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2024-11-11 15:44:39
西安交通大學(xué)材料學(xué)院的單智偉教授團隊與材料創(chuàng)新設(shè)計中心團隊合作，研究揭示納米金剛石顆粒在遠(yuǎn)低于鋼鐵熔點的溫度下，能以顆粒形式自驅(qū)動進入鐵晶體內(nèi)部并持續(xù)“行走”，最大行程可達數(shù)毫米。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。研究利用原位透射電子顯微鏡實時觀察了金剛石納米顆粒在加熱過程中的運動過程，揭示了其在鐵催化作用下表面石墨化并部分溶解，形成碳濃度和化學(xué)勢梯度，推動金剛石向下前進的微觀機制。







在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時代，航空航天和衛(wèi)星技術(shù)作為人類探索宇宙、拓展生存空間的重要手段，正不斷推動著各個相關(guān)領(lǐng)域的進步。而材料科學(xué)的發(fā)展更是為這些高科技領(lǐng)域提供了堅實的支撐，其中，納米金剛石作為一種獨特且極具潛力的納米材料，正逐漸在航空航天和衛(wèi)星領(lǐng)域嶄露頭角，展現(xiàn)出非凡的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景。



一、納米金剛石：獨特性能探秘



納米金剛石之所以能在航空航天和衛(wèi)星領(lǐng)域備受關(guān)注，關(guān)鍵在于其一系列獨特的物理化學(xué)性質(zhì)。



納米金剛石的形成過程頗具特色，通常是通過將納米管高速撞擊目標(biāo)而產(chǎn)生的。在此過程中，納米管會發(fā)生分解，進而形成小于 10 納米的微小金剛石顆粒。這些微小顆粒卻蘊含著巨大的能量，以其卓越的性能而聞名。



其硬度堪稱一絕，是已知的最硬的材料之一，硬度接近天然金剛石。這一特性賦予了納米金剛石極強的耐磨性和耐磨損性，使其在對耐用性要求極高的航空航天和衛(wèi)星應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色。例如，在飛機發(fā)動機的關(guān)鍵部件、衛(wèi)星的精密結(jié)構(gòu)等部位，長期面臨著高速運轉(zhuǎn)、復(fù)雜環(huán)境等因素帶來的磨損威脅，而納米金剛石的高硬度恰好能有效抵御這些磨損，確保部件的長期穩(wěn)定運行。



再者，納米金剛石擁有出色的導(dǎo)熱性。在航空航天設(shè)備中，許多部件在工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，如火箭發(fā)動機的燃燒室、衛(wèi)星上的電子設(shè)備等，若不能及時有效地散熱，可能會導(dǎo)致設(shè)備性能下降甚至故障。納米金剛石的高導(dǎo)熱性使其成為解決此類散熱問題的理想選擇，能夠快速將熱量傳導(dǎo)出去，維持設(shè)備的正常工作溫度。



另外，納米金剛石還具有獨特的光學(xué)特性。其吸收光譜很寬，涵蓋了從電磁波譜的紫外區(qū)到近紅外區(qū)的范圍。這一特性為其在光學(xué)應(yīng)用方面開辟了廣闊天地，比如可作為熒光標(biāo)記用于對航空航天設(shè)備某些關(guān)鍵部位的檢測，或者作為光學(xué)設(shè)備中的組件，參與到諸如衛(wèi)星成像系統(tǒng)等設(shè)備的構(gòu)建中，提升光學(xué)設(shè)備的性能和功能。



二、納米金剛石在航空航天和衛(wèi)星中的應(yīng)用全景



納米金剛石在航空航天和衛(wèi)星工業(yè)中的應(yīng)用呈現(xiàn)出多元化的特點，涵蓋了多個關(guān)鍵方面，為提升設(shè)備性能和可靠性發(fā)揮了重要作用。



（一）涂層材料應(yīng)用



涂層是納米金剛石在該領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一。在飛機、衛(wèi)星和火箭的部件和表面涂上納米金剛石涂層，能夠帶來諸多益處。首先，這種涂層可以顯著提高部件的耐磨性，減少在長期運行過程中因摩擦、氣流沖刷等因素導(dǎo)致的表面磨損，延長部件的使用壽命。例如，對于飛機的機翼表面、衛(wèi)星的太陽能電池板邊框等部位，納米金剛石涂層能夠有效抵御風(fēng)沙、微流星體等帶來的磨損。



其次，納米金剛石涂層還具備良好的耐腐蝕性。在航空航天環(huán)境中，設(shè)備可能會面臨各種腐蝕介質(zhì)的侵蝕，如大氣中的水汽、酸性物質(zhì)等。納米金剛石涂層能夠在部件表面形成一層保護膜，阻止腐蝕介質(zhì)與部件基體的接觸，從而保障部件的結(jié)構(gòu)完整性。



再者，納米金剛石涂層對于提高部件的導(dǎo)熱性也有著重要作用。如前文所述，航空航天設(shè)備中的許多部件需要良好的散熱條件，納米金剛石涂層能夠幫助熱量更快速地從部件內(nèi)部傳導(dǎo)到外部環(huán)境，防止熱量積聚，進而提升部件的工作效率和可靠性。



此外，通過減少摩擦和磨損，納米金剛石涂層還可以提高推進系統(tǒng)的效率。在火箭發(fā)動機的推進系統(tǒng)中，部件之間的摩擦?xí)拇罅磕芰浚{米金剛石涂層能夠降低這種摩擦損耗，使推進系統(tǒng)能夠?qū)⒏嗟哪芰哭D(zhuǎn)化為有效推力，提升火箭的發(fā)射性能。



（二）復(fù)合材料開發(fā)應(yīng)用



復(fù)合材料因其重量輕、強度高的特性在航空航天工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，而納米金剛石的加入更是為其性能提升注入了新的活力。



將納米金剛石添加到復(fù)合材料的基質(zhì)材料中，可以有效提高復(fù)合材料的強度和耐久性。在飛機的機身結(jié)構(gòu)、機翼等部位，需要承受巨大的飛行載荷，納米金剛石增強的復(fù)合材料能夠更好地抵御這些載荷，確保飛機結(jié)構(gòu)的安全可靠。



同時，添加納米金剛石還可以改善復(fù)合材料的熱性能和電性能。在衛(wèi)星的電子設(shè)備封裝、熱控系統(tǒng)等方面，良好的熱性能和電性能是保障設(shè)備正常運行的關(guān)鍵。納米金剛石的加入能夠使復(fù)合材料更好地適應(yīng)這些要求，例如在熱控系統(tǒng)中，能夠更有效地傳導(dǎo)和散發(fā)熱量，在電子設(shè)備封裝中，能夠提供更好的電學(xué)性能保障。



（三）潤滑和拋光應(yīng)用



由于納米金剛石具有硬度高且摩擦系數(shù)低的特點，使其在潤滑和拋光應(yīng)用方面也展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。







在潤滑應(yīng)用方面，納米金剛石可用作潤滑劑的添加劑。在航空航天設(shè)備的一些機械傳動部件，如發(fā)動機的軸承、齒輪等部位，需要良好的潤滑條件以減少摩擦損耗和磨損。納米金剛石作為添加劑加入潤滑劑中，能夠在部件表面形成一層潤滑膜，降低摩擦系數(shù)，提高潤滑劑的性能，從而延長部件的使用壽命，提高設(shè)備的運行效率。



在拋光應(yīng)用方面，納米金剛石可用于產(chǎn)生高質(zhì)量、無劃痕的表面。對于飛機的外觀部件、衛(wèi)星的光學(xué)鏡片等需要高精度表面質(zhì)量的部位，納米金剛石拋光能夠達到理想的效果。它能夠精準(zhǔn)地去除表面的微小瑕疵，使表面達到極高的平整度和光滑度，滿足航空航天設(shè)備對于外觀和光學(xué)性能的嚴(yán)格要求。



三、納米金剛石在航空航天和衛(wèi)星領(lǐng)域的商業(yè)化實踐案例



在實際應(yīng)用中，已經(jīng)有不少公司和研究小組積極投入到納米金剛石在航空航天和衛(wèi)星領(lǐng)域的研究與開發(fā)中，并取得了顯著成果，這些商業(yè)化應(yīng)用案例充分展示了納米金剛石的巨大潛力。



（一）Carbodeon 公司的納米金剛石涂層應(yīng)用



Carbodeon 是芬蘭的一家納米金剛石制造商，其專注于生產(chǎn)用于航空航天和衛(wèi)星工業(yè)的納米金剛石涂層。該公司的涂層已成功應(yīng)用于渦輪葉片和火箭噴嘴等關(guān)鍵部件上。



通過實際應(yīng)用驗證，Carbodeon 的納米金剛石涂層能夠顯著提高部件的耐用性和耐磨性，有效抵御高溫、高速氣流等惡劣環(huán)境因素帶來的磨損和腐蝕。同時，這種涂層還能大幅提高部件的導(dǎo)熱性，確保在高溫工作環(huán)境下部件能夠及時散熱，維持正常的工作狀態(tài)。例如，在渦輪葉片上應(yīng)用該涂層后，葉片的使用壽命得到了明顯延長，發(fā)動機的整體性能也得到了有效提升。



（二）Element Six 公司的納米金剛石應(yīng)用



英國的人造金剛石制造商 Element Six 同樣在納米金剛石在航空航天和衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用方面有著突出貢獻。



Element Six 生產(chǎn)用于復(fù)合材料和涂層材料的納米金剛石。其生產(chǎn)的納米金剛石應(yīng)用于航空航天工業(yè)，用于提高零部件的機械和熱性能。例如，他們的納米金剛石復(fù)合材料已被證明可以提高飛機結(jié)構(gòu)的抗疲勞性和損傷容限。在飛機的長期飛行過程中，結(jié)構(gòu)部件會不斷受到交變載荷的作用，容易產(chǎn)生疲勞損傷，而 Element Six 的納米金剛石復(fù)合材料能夠增強結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力，降低損傷發(fā)生的概率，保障飛機飛行的安全可靠。



此外，Element Six 生產(chǎn)的納米金剛石涂層在一些航空航天部件上也發(fā)揮了重要作用，如提高部件的耐磨性、導(dǎo)熱性等，為部件的性能提升提供了有力支持。



（三）相關(guān)研究成果展示



美國化學(xué)學(xué)會期刊《ACS 應(yīng)用材料與界面》最近發(fā)表的一項研究重點關(guān)注了通過以不同速度對碳納米管進行彈道碎裂來生產(chǎn)用于衛(wèi)星應(yīng)用的納米金剛石。該研究表明，這種高能碰撞會導(dǎo)致納米管中的原子鍵斷裂，在某些情況下，會重新形成不同的結(jié)構(gòu)，最終生成納米金剛石。



這一研究成果不僅為納米金剛石的生產(chǎn)提供了一種新的方法，也進一步揭示了納米金剛石在衛(wèi)星應(yīng)用方面的潛力。通過對納米金剛石生產(chǎn)過程和性能的深入研究，有助于開發(fā)出更適合衛(wèi)星應(yīng)用的納米金剛石產(chǎn)品，為衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展提供更好的材料支持。



四、納米金剛石在航空航天和衛(wèi)星領(lǐng)域的未來展望



隨著科技的不斷進步和研究的持續(xù)深入，納米金剛石在航空航天和衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用前景愈發(fā)廣闊，未來有望在多個方面實現(xiàn)新的突破。



（一）增材制造（3D 打印）中的應(yīng)用拓展



增材制造（3D 打印）作為一種新興的制造技術(shù)，在航空航天領(lǐng)域正逐漸得到廣泛應(yīng)用。而納米金剛石在 3D 打印部件中的應(yīng)用是一個活躍的研究領(lǐng)域。



通過將納米金剛石加入 3D 打印部件中，有望改善其機械和熱性能。在航空航天設(shè)備的制造中，3D 打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制造，但目前部分 3D 打印部件在強度、散熱等方面還存在一定不足。納米金剛石的加入可以彌補這些缺陷，例如提高打印部件的硬度和耐磨性，使其更適合用于承受高載荷的部位；同時提高其導(dǎo)熱性，解決打印部件散熱困難的問題，從而提升 3D 打印部件在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用價值。



（二）輻射屏蔽應(yīng)用潛力挖掘



航空航天和衛(wèi)星行業(yè)在保護其設(shè)備和人員免受輻射有害影響方面面臨重大挑戰(zhàn)。而納米金剛石因其高密度和原子組成而被證明具有出色的輻射屏蔽性能。



目前，人們對使用納米金剛石作為輻射屏蔽的興趣日益濃厚。通過將納米金剛石加入屏蔽材料中，有可能提高輻射防護系統(tǒng)的有效性。在未來的航天任務(wù)中，無論是載人航天還是衛(wèi)星運行，都需要更高效的輻射防護措施。納米金剛石有望成為解決這一問題的關(guān)鍵材料之一，為保障航天人員的健康和設(shè)備的正常運行發(fā)揮重要作用。



（三）新型推進系統(tǒng)開發(fā)助力



納米金剛石已被證明具有獨特的熱性能，使其成為熱推進系統(tǒng)的理想選擇。研究人員目前正在探索納米金剛石在一系列推進系統(tǒng)中的使用，包括電動和化學(xué)火箭。



在新型推進系統(tǒng)的開發(fā)中，納米金剛石有望發(fā)揮重要作用。例如，在熱推進系統(tǒng)中，納米金剛石可以通過其高導(dǎo)熱性幫助快速傳導(dǎo)熱量，提高推進劑的燃燒效率，從而增加推進力；在電動火箭中，納米金剛石可能通過改善電機等部件的熱性能，提升電動火箭的整體性能。隨著研究的深入，納米金剛石有望在推進系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多創(chuàng)新應(yīng)用，推動航空航天推進技術(shù)的發(fā)展。



綜上所述，納米金剛石作為一種具有獨特性能的材料，在航空航天和衛(wèi)星領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價值和巨大的潛力。從其在涂層、復(fù)合材料、潤滑和拋光等方面的應(yīng)用，到眾多商業(yè)化應(yīng)用案例的成功實踐，再到未來在 3D 打印、輻射屏蔽、推進系統(tǒng)等領(lǐng)域的發(fā)展前景，都充分表明納米金剛石將在航空航天和衛(wèi)星行業(yè)中扮演越來越重要的角色，成為推動該領(lǐng)域技術(shù)進步的重要力量。



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