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航空航天增強/熱管理材料

氮化硼納米管可替代BN材料,適用于航天新一代大功率霍爾推力器?(HET)?

發(fā)布日期:2022-05-09 作者:大連義邦科技 瀏覽數:5359
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兩年前我國的首款20千瓦大功率霍爾推力器 (HET) 成功完成點火試驗,點火時間累計達8小時,點火次數超過30次,實現了我國霍爾電推力器推力從毫牛級向牛級的跨越。

 

大家在歡喜之余其實很多人卻是一臉懵,霍爾推進器,是個啥?

 

簡單的說傳統火箭推進器靠的是燃燒化學燃料,而霍爾推進器靠的是強磁場和電場,拋出的是離子流。

 

本篇文章主要是想簡單介紹下新材料氮化硼納米管,在新一代航天飛行器上的應用。

 

剛才咱們講到了霍爾推進器與傳統發(fā)動機的基本原理,它的作用是利用電能加熱、離解和加速工質,使其形成高速射流而產生推力的技術。與化學推進相比,電推進具有比沖高、推力小、適應于重復啟動、重量輕和壽命長等特性。因而電推進可作為航天飛行器控制姿態(tài)、軌道偏移和提升、軌道修正、阻力補償、宇宙探測和星際航行等等任務。

 

在該技術的發(fā)展中,先進的材料是保障它可以持續(xù)發(fā)展的有效動力,因為HET對材料的要求非常高,比如:

 

1. 高介電強度——由于涉及電壓,它們必須非常介電;

2. 抗熱沖擊——衛(wèi)星暴露在太空中的極端溫度波動中;

3. 高導熱性——熱產生的電氣條件需要足夠的冷卻;

4. 低 CTE – 由于溫度波動,HTC 必須保持尺寸穩(wěn)定;

5. 低密度——空間受限組件的重量對于高效發(fā)射和操作至關重要。

 

HET必須承受苛刻的材料條件以及復雜的設計要求,而這些設計通常只能使用易于加工的陶瓷材料來制造。

 

根據大連義邦的了解,在放電通道和陰極絕緣體中使用氮化硼材料,是霍爾效應推進器成功的關鍵。早期為滿足這些不同需求而開發(fā)出易于加工的陶瓷材料,大約49%的SiO2、49%的BN、1%的Y2O3組成,雖然對于HET應用來說已經夠用,但這種設計已經是多年前的技術方案。

 

現今人們想要獲得更遠的星際航行,就需要更強大的材料解決方案。目前BNNT(氮化硼納米管)作為更先進的材料可以替代BN,理論上僅需更少的BNNT即可實現同等的作用,這樣可節(jié)省開發(fā)成本和提升性能。

 

BNNT是六方氮化硼 (h-BN) 的三維結晶形式,也稱為白色石墨烯。BNNT的厚度從一個到幾個原子層不等,它具有與其全碳模擬石墨烯相似的幾何形狀,各項性能更適用于航天飛行器。

 

大連義邦為促進國內航空航天發(fā)展,引入的BNNT(NanoBarbs?氮化硼納米管)具有高化學穩(wěn)定性,以氮化硼的特有三維結構形式存在,這種在氮化硼納米管外表面形成不規(guī)則六方氮化硼結晶體的結構,優(yōu)化氮化硼納米管顆粒與基體材料之間的交聯,可增強復合材料的機械性能。


 

該材料的組成由氮化硼納米管>90% ,雜質六方氮化硼< 10%,硼元素 < 1%。同時熱穩(wěn)定性(在空氣中高達 900°C)、帶隙 > 5.5eV、楊氏模量(高達 1.3 TPa)、具有出色的導絕緣性、壓電性、抑制熱中子輻射和低密度性等都非常適用于HET。

 

另外,NanoBarbs?氮化硼納米管在應用業(yè)績方向,已為美國軍方的所有分支機構、NASA、全球政府實驗室等提供材料合作,2021年還與美國海軍研究(NPS) 簽訂了合作研發(fā)協議 (CRADA)。共有多位材料專家計劃將NanoBarbs?氮化硼納米管用于自己的最近研發(fā)中,皆在為使納米材料具有廣泛的應用(即催化劑、電池、超級電容器、抗沖擊、結構部件、微電子、高溫系統和與傳導有關的航空航天復合結構),還計劃使用NanoBarbs? 提高航空航天工業(yè)使用的輕質碳纖維復合材料以及相變材料的導熱性等。





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