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俄航天纳米技术发展现状分析

作者:2015-08-13 09:26文章来源:未知

  一、俄航天纳米技术领域的主导机构

  根据2 0 0 7 年8 月2 日俄政府批准的“2008~2011年发展俄联邦纳米工业基础设施”联邦专项计划的附件1第4项以及附件5第7项,俄联邦航天局确定俄航天纳米技术研究领域的主导机构为联邦国企“凯尔迪什研究中心”,同时该中心也是“用于航天技术设备的功能性纳米材料”方面的领头机构,以及“航天系统动力和供电”领域的纳米技术应用中心;而该应用中心作为俄政府2007年选定的全俄十几家纳米工业“集体利用中心”之一,负有在相关联邦专项计划的实施范围内,为俄航天纳米工业领域的研制任务方以及其它行业的研制机构提供利用研究和技术设备的职能。纳米技术应用中心拥有优秀的专家人才,技术配备力量在俄罗斯处于领先地位,其主要研究领域包括:纳米合成材料、碳纳米管、纳米结构、涂覆面、航天动力以及度量衡计量等。

  纳米技术应用中心于2008年底成为凯尔迪什研究中心的独立分支机构,并得到联邦专项计划范围内的财政专项拨款,用于建设包括新建大楼、购置和开展高水平研究所需的现代化设备装置的基础设施。该中心拥有多套专业化仪器装置:纳米粉末制造装置、超声波分散剂量拌器、蒸发烘干机、熔模铸造模型装置CAM-L252TB、用于制品的烧结和热处理加工(可达2800℃)的综合装置、热模压装置、脉冲等离子烧结装置FCT-HPD 25等,具有通用性,能够实现金属、氧化物、碳化物、氰化物、混合物等各种材料的合成。其中的纳米粉末制造装置,能合成具有分散度和化学组成为10~80nm粒子的无机纳米粉末,可实现用粉末技术获取纳米陶瓷和纳米合成产品。这些装置既可用来进行科研试验设计工作,也可用于小批量工业生产。

  二、俄航天领域“纳米主干线”项目

  2012年,俄罗斯发布了“为制造导弹航天设备的高可靠性和高质量的先进产品、研究建立纳米技术研制应用方面的科技储备”项目(简称“纳米主干线”)的竞标书。“纳米主干线”项目是为发展俄联邦2030年前航天能力而制定科研课题和提案的综合研究工作。合同的初始价格为5.833亿卢布,完成期限从国家合同的签订日的2012年底到2015年底。凯尔迪什研究中心纳米技术部赢得了“纳米主干线”项目的竞标。为实施“ 纳米主干线” 项目, 凯尔迪什研究中心组织了30多个合作承包机构,其中航天领域的机构主要有复合材料公司、量子科研生产公司、进步火箭航天中心、动力机械制造科研生产公司、能源火箭航天公司等,此外,还包括一批俄罗斯科学院相关专业研究所和高校的研究机构,如俄罗斯科学院约非物理技术研究所、俄罗斯莫斯科国立航空航天大学、俄罗斯国立鲍曼科技大学。

  三、发展现状

  目前,虽未见俄航天纳米技术领域公开的专门研究项目或计划,但是从俄罗斯历年举行的国家级展览、论坛和科技大会以及俄罗斯公开发表的学术报告文集、汇编等出版物上,可以看到俄航天领域纳米技术的主要研究方向以及取得的部分成果。

  2009年11月,凯尔迪什研究中心在莫斯科召开第一届“全俄用于航天设备的功能性纳米材料”大会。由凯尔迪什研究中心、研究纳米技术的俄高等院校与俄科学院的相关科研院所、俄航天领域的科研企业与机构、俄罗斯纳米国家集团和俄国防工业综合体其它行业的相关企业与机构的专家学者参会。会议就“纳米合成材料”、“提高航天器效能的纳米材料”、“纳米材料的电磁特性”和“研究纳米材料先进的方法和工艺技术”等专题进行了学术成果交流汇报,并确定了今后在火箭航天领域纳米技术的主要发展方向——航天器小型化、提高制造航天装备材料的强度、通过应用耐高温和侵蚀性介质的纳米涂层降低工作的故障率、提高火箭发动机的可靠性、生产高效的光学元器件等。

  会议在用于航天装备的碳-聚合纳米复合材料方面,交流了碳纳米管的结构和其主要的力学、热物理、电学特性及其获取和使用方法,以及工作在极端条件下的航天器对材料和涂层的基本要求;介绍了目前对复合材料特性已取得的研究成果。凯尔迪什中心纳米技术部门展出了曾在莫斯科举办的第二届国际纳米技术大会上获奖的活动成果——利用等离子集束工艺喷涂的热防护涂层和耐磨涂层。这种工艺方法能够制造可广泛应用的多层纳米结构植入涂层。例如,应用在发动机燃烧室侧壁的热防护涂层中,能够提高火箭发动机推力(放弃以锆氧化层在燃烧室作为腔壁冷却幕的方法),或者提高100~200kg的入轨有效载荷质量,由此能节约1500~3000万卢布的发射费用。凯尔迪什研究中心还展示了用纳米技术复合材料(碳-碳、碳-陶瓷)制成的非冷却喷管,用在液体火箭发动机上能够将比冲提高3%~5%,将有效载荷入轨成本降低15%~20%;并介绍了使用导热能力非常低或者非常高的材料可以实现具有特殊性能的纳米复合材料的技术应用。在纳米粉末及其在特殊陶瓷中的应用问题方面,与会专家着重介绍了用溶胶凝胶体(凝胶技术)方法获取新的纳米材料所取得的成就,以及通过使用纳米陶瓷提高现代火箭发动机的性能。俄罗斯科学院西伯利亚分院强度物理和材料学研究所的专家们,在理论计算的基础上研制出了提高耐裂化性的多层纳米涂层制造工艺,并介绍了使用多层涂层技术的热防护涂层能够预防火箭部件或者飞机发动机裂化的效果。

  2010年6月莫斯科举行了“全俄青年科技创造成果展”,2010年11月和2011年10月莫斯科举办了第三届和第四届“国际纳米技术论坛”(RUSNANOTECH),2013年俄罗斯举办了“航空航天创新大会”,2014年俄航天领域举行了数次纳米研究专题汇报和成果交流会。从以上活动的研究成果汇编中可以看出,目前俄罗斯航天纳米技术研究的主要方向为:材料特性研究、功能性研究、制造方法和技术研究。而且,俄罗斯航天在纳米技术领域的研究深入、应用广泛、成果丰硕。历次研究专题汇报和成果交流会研究汇编的部分目录按大致三个方向分类列出:

  ⑴复合纳米材料和结构(材料特性研究)碳纳米材料的特性和应用、功能性覆层和结构纳米复合材料、含纳米微粒的新型复合结构材料——碳纳米管、用于高温陶瓷纤维复合材料——纳米结构的多层界面、纳米粉末及其在特殊陶瓷工艺上的应用、多组分不锈钢薄膜的其它功能特性(温度稳定性和耐热性)、纳米结构薄膜和涂层在航天设备上的先进新功能、碳纳米管的清洁和排除特性、纳米铝氧化过程的调动、纳米结构的合金、纳米结构的多层界面、具有形状记忆功能的纳米结构TiNi-TiCu合金系统、光敏纳米复合材料、基于镓的弥散-硬化纳米复合材料焊料、作为有前景的航天器材料的碳聚合纳米合成物、纳米粉末及其在特殊陶瓷工艺中的应用。

  ⑵提高航天器效能的纳米材料(功能性研究)基于碳纳米管的感应控制设备、纳米结构在热核反应堆中的问题、防热防腐蚀和可调节航天器结构件表面温度的涂层、用于降低有效载荷结构件入轨质量的轻质高强度材料、用于航天器的碳纳米管、在高温加热器上应用纳米材料、作为航天设备先进材料的碳聚合纳米复合材料、航天应用的功能涂覆层和结构纳米复合材料、液体燃料发动机燃烧室侧壁纳米材料与燃料燃烧产物相互作用的物理化学过程、纳米铝氧化过程的调用、新型先进功能性纳米结构薄膜和敷层及其机械和摩擦性能的获取和考核、用等离子喷雾粉末喷涂热防护纳米结构涂层的方法、纳米技术在航天员生命保障系统的未来应用。

  ⑶制造纳米材料的先进方法和工艺技术(制造方法和技术研究)为航天设备获取纳米材料的激光技术、利用激光技术制造基于复合纳米材料的复杂形状航天设备零件、获取纳米材料的气动力学和等离子技术方法以及研究其激光特性;薄膜厚度和其光学常数的光学测量方法、中等能量的散射光谱测量法运用在纳米电子和闪烁镜中的超细薄结构分析;纳米粉末的获取和航天应用、等离子纳米粉末冶金的物理化学和工艺技术;用高温分解的气相沉淀法在硅基片表面上合成碳纳米管、为获取各种形状的碳纳米管应用磁控管喷涂方法、碳纳米系统合成的单相法、垂直定向的纳米管的制造方法、带有纳米管的探测传感器获取技术。

  四、航天领域纳米技术应用前景

  作为航天发展优先方向之一的纳米技术,其应用前景极其广泛,包括:工程材料(轻质结构、耐损伤材料、涂层、防热材料、热控材料);能量产生和贮存(能量产生、存贮、发送);推进系统(纳米推进剂、空间推进);电子器件和传感器(传感器、激励器、其它电子器件);宇航员生命保障系统等。

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