奈米科技在航空太空方面的應用

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1、奈米科技在航空太空方面的應用航空太空結構材料之性能要求航空太空結構材料要求具有:高強度(抗應力破壞(antistessdestruction))強韌性(toughness)低密度有些材料甚至要具有耐高溫、耐腐蝕(corrosion)、耐摩擦(friction)、耐高壓等性能。2飛機和太空飛行器的主要結構材料製造飛機(airplane)和太空飛行器(spacecraft)的主要結構材料包括:金屬材料如鋁合金、鎂合金、鈦合金、鋰合金、合金鋼(alloysteel)等。非金屬材料如特種陶瓷、工程塑料、各類纖維複合材料等。

2、3奈米複合材料複合材料的結構是一個相為連續相(continuousphase)，稱為基體；而另一相為以一定型態分佈於連續相的分散相(dispersedphase)，稱為增強體。如果增強體是奈米級的尺度，如奈米微粒、奈米晶片、奈米晶鬚、奈米纖維等，就稱為奈米複合材料。4奈米複合材料之分類依基體種類分有：金屬奈米複合材料、陶瓷奈米複合材料、高分子奈米複合材料等。依增強體種類有：顆粒增強奈米複合材料、晶鬚增強奈米複合材料、纖維增強奈米複合材料等。依基體種形狀分有：0-0複合、0-2複合、0-3複合等。5奈米複合材料之分類

3、依增強體形狀分有：零維(顆粒狀)、一維(纖維狀)、二維(片狀)等。依複合方式分有：晶內型、晶間型、晶內-晶間混合型、奈米-奈米型等。依用途分有：結構奈米複合材料、功能奈米複合材料、智能奈米複合材料等。6(a)晶內型(b)晶間型(c)晶內-晶間混合型(d)奈米-奈米型奈米複合材料依複合方式分類共有四種。空心六邊形代表基體晶粒，黑色圓點和黑色六邊形分別代表奈米微粒和晶粒(增強體)。7奈米金屬複合結構材料鋁合金是傳統的製造超音速飛機(supersonicairplane)或飛行器(aircraft)之蒙皮(skin)的合

4、金材料。而今，密度只有大約鋁合金之50%的鋰-鎂合金等，以其塑性特性大量地用做飛彈(missile)、太空飛船(spaceship)的結構材料。8奈米金屬複合結構材料之後，奈米材料加入行列。早在二十世紀八○年代初，德國科學家格雷特(H.Gleiter)教授就提出奈米晶體材料的概念，並首次獲得了奈米金屬銀、銅、和鋁等塊材。奈米相(nanophase)及奈米金屬間化合物(nanointermetalliccompound)分散補強合金的研究已引起各國科學家與技術人員的興趣。奈米增韌補強的新型合金將可大幅度提高材料的強度

5、，降低材料的用量，減輕飛行體的質量，從而提高飛行體的飛行速度和性能。9奈米介孔複合材料介孔固體(mesoporoussolid)一詞始見於1972年。一般將孔徑大於50nm的孔稱為大孔，小於2nm的孔稱為微孔，而孔徑在此二者之間的孔稱為介孔。10奈米介孔複合材料大孔固體主要應用於分離科學如色譜學或催化劑載體，微孔固體主要應用於分子之選擇吸收、篩分、和催化。至於介孔固體的孔是互相連通，並與周圍環境接觸，其孔之數量可達1019個/g，比表面積一般在600m2/g以上，高的甚至達到1200m2/g。所以，表面效應十分顯著

6、。11奈米介孔複合材料在航空太空技術中，科學家研製出"發汗"金屬材料，吸收高速飛行體其高溫表面的熱量，使其以降溫。科學家把金屬鎢製成介孔(mesopore)的金屬骨架，再以相對低熔點的銅或銀等材料填充在"汗孔"中，製成"發汗金屬"。用發汗金屬製成火箭噴嘴(nozzle)。12奈米焊接奈米微粒之熔點(meltingpoint)通常低於同質塊材之熔點，隨著顆粒尺度之減小，其熔點隨之下降。所謂的奈米微粒之熔點，嚴格講起來是奈米微粒的液相燒結溫度(liquidsinteringtemperature)。可利用奈米微粒低熔點

7、之特性，對飛行器外殼或其他零件進行焊接(weld)。13奈米焊接若將超細銀粉製成導電漿料，就能在較低溫度下進行燒結。奈米焊接不僅限於用在金屬材料，也可以應用在部分特殊陶瓷材料上。奈米焊接技術用於加工某些高熔點、難成形的陶瓷，非常有用。只要將陶瓷加工成奈米粉末(nanopowder)，就可在不高之溫度下將其熔化燒結成耐高溫元件。用奈米粉體進行燒結、緻密化(densification)的速度快，還可以降低燒結溫度。14奈米增韌補強陶瓷高科技陶瓷基奈米複合材料的基體主要有氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、碳化矽(

8、SiC)、氮化矽(Si3O4)、和玻璃陶瓷等。傳統陶瓷材料很硬、易碎、不易做成機械。但硬而易碎的氧化鋯(ZrO2)若以奈米晶粒製成，則變得極富彈性，可做極大的長度形變(高達其原長度的300%以上)。15奈米增韌補強陶瓷奈米晶格陶瓷材料可以在相對低溫下壓製或燒結成各種形狀。16奈米增韌補強陶瓷為了改善陶瓷基奈米複合材料的韌性，科學家普遍採用顆粒、晶鬚(纖維)、