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纳米技术,为飞机披挂高科技“衣裳”

2012-09-17 21:22:23 来源:

纳米材料是指三维尺度中至少有一维为纳米尺寸(1纳米等于十亿分之一米)的材料,具体包括纳米薄膜、纳米纤维、超细粉体及纳米微晶材料等。现实应用中,则更多的是指由尺寸在10-10~10-7m的微粉体系。由于纳米材料具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,因而会表现出常规材料所没有的一些特别性能,如高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热和低熔点、奇特的磁性和极强的吸波性能等,从而使其获得了广泛的应用。

近年来, 纳米技术与纳米材料的发展日新月异, 其成果已经延伸到诸多军用和民用领域。在航空界,纳米技术和纳米材料更是找到了用武之地。微纳米飞行器、纳米增韧陶瓷/增韧玻璃、纳米增强复合材料、纳米飞机涂层…,这些纳米高新技术在飞机上的应用层出不穷。尤其值得注意的是,纳米材料在飞机表面蒙皮中的应用,很多方面已经取得重大突破。可以讲,纳米技术,已经为现代飞机披挂上了高科技的“衣裳”。

1.神奇的纳米“隐身衣”

隐身技术是为了减少飞机的雷达、红外线、光电、目视等观测特征而在设计中采用的专门技术,其目的是为了飞机在突防时不被敌方探测器发现,从而增强攻击的突然性,提高飞机的生存力和作战效能。作为一种方便、经济、极强适应性的飞机隐身途径,隐身技术已经在航空航天、军事装备上得到广泛应用。目前,最具挑战性的隐身技术是吸波涂料的开发与应用。吸波涂料按其功能又可分为雷达吸波涂料、红外吸波涂料、可见光吸波涂料、激光吸波涂料、声纳吸波涂料和多功能吸波涂料。由于雷达侦察是目前世界上用得最多、最有效的侦察手段之一,因此雷达吸波涂层自然也就成为一种重要的飞机隐身手段。

雷达吸波涂料对雷达发射的电磁波具有高吸收和低反射的特性。由于纳米材料的结构尺寸在纳米量级、物质的量子效应和表面效应等对材料性能有重要影响,因此在微波场的辐射下,原子、电子运动加剧,促使磁化,使电磁能转化为热能,从而增加了对电磁波的吸收性能。正是由于以上原因,和普通的吸波涂料相比,纳米吸波涂料具有更佳的雷达波高吸收和低反射特性。

现代战机的隐身表面涂料大都由纳米材料与有机涂料复合而成,它通过精细控制无机纳米粒子使其均匀分散在高聚物基体中,性能变得更加优异。当今,美国在飞机雷达吸波涂料隐身技术基础理论和实际应用研究方面居世界前列。以其F-117飞机为例,该飞机机身表面包覆了红外与微波隐身材料,这种隐身材料中含有多种超微粒子特,别是纳米粒子,其对不同波段的电磁波表现出强烈的吸收能力,可有效逃避雷达不同不同波段的监视,这使得其在前些年的海湾战争和伊拉克战争中表现大放异彩。

2.坚韧的纳米“甲胄”

由于具有更高的比强度和比刚度,现代飞机中,复合材料得使用比例越来越多。以美国波音公司最新研制的787飞机为例,其复合材料使用量已经达到了全机重量的50%以上,其中,包括几乎整个飞机的蒙皮。

实验表明,在复合材料的树脂中增加一定量的纳米材料,其强度有望显著提高。F-35是目前美国最为先进的第四代战机,由洛克希德马丁公司制造。据悉,现在F-35战机在其机体的许多非承力结构上已经开始使用纳米复合材料,如翼尖整流罩等。和传统的飞机碳纤维增强复合材料有所不同,F-35使用的是一种纳米碳管增强的热固性环氧树脂的复合材料。这种纳米碳管增强复材被普遍认为是业已发现的强度最高的材料之一,其强度是碳纤维增强复材的数倍,而重量却比后者轻25%-30%。洛克希德马丁公司的相关负责人表示,这种碳纳米管增强复合材料事实上也有望在飞机的承力结构中使用,如飞机的机身和机翼蒙皮等,目前之所以仅用作非承力构件,主要是出于材料认证考虑,而非技术本身。

最近,美国科学家还研究出一种用碳纳米管“装订”航空材料的技术。该技术可以在略微增加成本的情况下使飞机外壳强度提高到原来的10倍。目前,碳复合材料已经广泛用于航空和航天工业。在这类复材中,碳纤维层之间是用聚合物“粘胶”接合的。这类聚合物可能发生撕裂,进而导致碳复合材料解体。为了解决这一问题,美国麻省理工学院科学家在研究过程中使碳纳米管与碳纤维层垂直排列,然后对碳纤维层之间的聚合物进行加热,液化后的聚合物会将碳纳米管吸收进去,从而起到“装订”碳纤维层的作用。碳纳米管直径只有几十纳米,是碳纤维直径的千分之一,所以不会破坏碳纤维,而是填充纤维之间的空隙,使材料变得更坚固。据介绍,用于“装订”的碳纳米管重量只占复合材料总重的1%,复合材料的成本仅增加百分之几,但强度却会大大增加。

最后,需要说明的是,除了强度高以外,上述用碳纳米管强化过的航空复合材料通常还具有更佳的导电性,这意味着该材料制造的飞机蒙皮可以更好地抵抗雷电的袭击和损坏。

3. 省油又环保的“纳米装”

近来,欧盟颁布了“对所有入境的航空公司征收航空碳排放税”的法案。这一法案一颁布,便立刻招来许多航空公司的抵制。尽管如此,该法案环保减排的理念仍然得到了一些航空公司的积极回应。

据英国《每日邮报》报道,为进一步削减燃料开支,降低成本,近日欧洲易捷航空公司宣布将在其部分飞机上对一种新型纳米涂层进行实验,以确定这种涂层在降低油耗方面的作用。据该公司的技术人员介绍,这种纳米涂层既轻又薄,可在最大程度上减少飞机自重的增加。该涂层的自身重量几乎可以忽略不计,因为一架中型客机喷涂这种涂料后,机身增加的重量仅为100来克,而其厚度比人类头发的平均直径还要薄100倍。

研究人员称,这种超微薄膜技术将使机身更符合空气动力学的要求,更光滑表面能大幅降低飞机飞行时机身与空气的摩擦力,从而起到减少燃油费用的目的,并为航空公司提供了更大的机票折扣空间。其作用就如同用涂料将凹凸不平的水泥墙壁涂平一样,这种涂层能将机身上用显微镜才能观察到的细微凹陷和突起“抹平”。经过这种技术处理的机身表面将比先前更光滑,气动性能更好,从而起到降低油耗的目的。

事实上,上述易捷航空公司飞机涂装过程的原理和年轻女性化妆类似。首先要对机身表面进行一次彻底的清洗,以清除位于机身表面甚至肉眼不可见的凹陷中的污垢,然后向机身施加正电荷,这样带有负电荷的超薄纳米涂层就能与机身紧密结合在一起,像粉底一样使整个机身表面光洁、平整、毫无瑕疵。此外,由于涂层中含有强度高、耐久性强的丙烯酸元素,同时这种涂层也具有较好的强度,于是,就在机身表面形成了一道保护屏障,防止污垢和杂物渗入。研究人员声称,这种新涂层能有效将每次飞行的燃油消耗减少1%-2%,因而每年将至少为航空公司减少2000万英镑的运营成本。

目前,易捷航空公司已有8架飞机涂装这种涂层,并以12个月为试验期,通过与其他未喷涂该涂层的飞机进行对比来验证这种技术的效果。如果该技术节能效果获得确认,易捷航空公司就会将这种涂层应用到其所有的飞机上。

4. 防晒防腐的纳米“护肤霜”

夏天,一些年轻女性会经常在肌肤上涂抹防晒霜,以达到抗紫外、防晒、抗皮肤老化的目的。最近,类似的“护肤”技术也被移植到了飞机上。

众所周知,由于日晒、雨淋等环境因素,大量使用涂料涂装的飞机蒙皮涂层会在几年时间内出现粉化、脱落的现象,进而导致飞机蒙皮局部腐蚀、受损,这不仅使飞机安全性下降,同时也增加了维护保养的时间和费用,大大降低了使用效率。

为了解决这一问题,近来,中科院沈阳金属所的科学家们开展了一项纳米复合涂层新技术。他们首先针对三亚、拉萨、沈阳等地的典型环境,深入研究了纳米粉体材料对涂层耐蚀性和耐老化性的作用机理,进而掌握了沿海高温、高湿、强日照环境下飞机防护的纳米复合涂层技术。目前,此项技术已成功用于多种大型运输机。实践表明,经过2年多的使用,所有使用该纳米防腐涂层的飞机表面均情况良好,未发现腐蚀或老化失效的现象,其防腐抗老化性能明显优于早先机体涂层的防护效果。

5.不沾水防结冰的纳米“袍”

飞机机翼前缘、风挡、发动机进气道口、空速管、操纵面等部位的结冰是一个不容忽视的问题。轻则影响飞机的性能,重则甚至会带来机毁人亡的事故。为此,大多飞机都安装有专门的防冰除冰设备。

最近,美国哈佛大学的研究人员开发出了一种纳米涂层,在低温下能使滴溅在其表面的水滴来不及结冰就滑落。该技术有望实现永不结冰的飞机机翼和机身。与目前在除冰融雪中所采用的化学及加热方法相比,该技术效率更高也更为环保。

那么,这种飞机表面涂层为什么会不沾水,不结冰呢?其实,其中的奥秘和荷叶表面不沾水十分相似。研究表明,荷叶的表面由无数个微米量级的凸起构成,而每个凸起的表面又布满了直径为数百纳米的毛刺。正是这种特殊的表面微纳结构,使得荷叶的表面不沾水,即具备了良好的疏水特性。

为了获得这种可用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面,科学家们采取了如下的表面处理技术:首先,在基底上利用非硅表面微加工技术或微复制方法制作疏水微结构;疏水微结构为竖直柱状阵列结构,包括若干相平行间距为10-100微米的金属柱,该金属柱为圆柱体、长方柱体或圆锥体,其下端与基底固定连接,上端的截面为正方形、长方形、多边形或球冠状结构。然后,在疏水微结构表面上涂覆纳米修饰膜,并将制备好疏水微结构和涂覆了纳米修饰膜的基底进行烘烤处理,进而得到干燥洁净的超疏水表面。该技术一旦成熟,将有望显著改善飞机表面与水滴的接触特性,大幅度降低机身被水滴浸润的程度;此外,该技术中的纳米修饰层还可进一步降低水滴滑过机身表面的粘滞力,减少水珠在机身表面凝结的数量,有效降低飞机表面的结冰程度,达到高效、清洁、低成本的飞机防冰/除冰目的。

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