俄航天納米技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析論文
一、俄航天納米技術(shù)領(lǐng)域的主導(dǎo)機構(gòu)
根據(jù)2 0 0 7 年8 月2 日俄政府批準(zhǔn)的“2008～2011年發(fā)展俄聯(lián)邦納米工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施”聯(lián)邦專項計劃的附件1第4項以及附件5第7項，俄聯(lián)邦航天局確定俄航天納米技術(shù)研究領(lǐng)域的主導(dǎo)機構(gòu)為聯(lián)邦國企“凱爾迪什研究中心”，同時該中心也是“用于航天技術(shù)設(shè)備的功能性納米材料”方面的領(lǐng)頭機構(gòu)，以及“航天系統(tǒng)動力和供電”領(lǐng)域的納米技術(shù)應(yīng)用中心;而該應(yīng)用中心作為俄政府2007年選定的全俄十幾家納米工業(yè)“集體利用中心”之一，負(fù)有在相關(guān)聯(lián)邦專項計劃的實施范圍內(nèi)，為俄航天納米工業(yè)領(lǐng)域的研制任務(wù)方以及其它行業(yè)的研制機構(gòu)提供利用研究和技術(shù)設(shè)備的職能。納米技術(shù)應(yīng)用中心擁有優(yōu)秀的專家人才，技術(shù)配備力量在俄羅斯處于領(lǐng)先地位，其主要研究領(lǐng)域包括：納米合成材料、碳納米管、納米結(jié)構(gòu)、涂覆面、航天動力以及度量衡計量等。
納米技術(shù)應(yīng)用中心于2008年底成為凱爾迪什研究中心的獨立分支機構(gòu)，并得到聯(lián)邦專項計劃范圍內(nèi)的財政專項撥款，用于建設(shè)包括新建大樓、購置和開展高水平研究所需的現(xiàn)代化設(shè)備裝置的基礎(chǔ)設(shè)施。該中心擁有多套專業(yè)化儀器裝置：納米粉末制造裝置、超聲波分散劑量拌器、蒸發(fā)烘干機、熔模鑄造模型裝置CAM-L252TB、用于制品的燒結(jié)和熱處理加工(可達(dá)2800℃)的綜合裝置、熱模壓裝置、脈沖等離子燒結(jié)裝置FCT-HPD 25等，具有通用性，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬、氧化物、碳化物、氰化物、混合物等各種材料的合成。其中的納米粉末制造裝置，能合成具有分散度和化學(xué)組成為10～80nm粒子的無機納米粉末，可實現(xiàn)用粉末技術(shù)獲取納米陶瓷和納米合成產(chǎn)品。這些裝置既可用來進(jìn)行科研試驗設(shè)計工作，也可用于小批量工業(yè)生產(chǎn)。
二、俄航天領(lǐng)域“納米主干線”項目
2012年，俄羅斯發(fā)布了“為制造導(dǎo)彈航天設(shè)備的高可靠性和高質(zhì)量的先進(jìn)產(chǎn)品、研究建立納米技術(shù)研制應(yīng)用方面的科技儲備”項目(簡稱“納米主干線”)的競標(biāo)書�！凹{米主干線”項目是為發(fā)展俄聯(lián)邦2030年前航天能力而制定科研課題和提案的綜合研究工作。合同的初始價格為5.833億盧布，完成期限從國家合同的簽訂日的2012年底到2015年底。凱爾迪什研究中心納米技術(shù)部贏得了“納米主干線”項目的競標(biāo)。為實施“ 納米主干線” 項目， 凱爾迪什研究中心組織了30多個合作承包機構(gòu)，其中航天領(lǐng)域的機構(gòu)主要有復(fù)合材料公司、量子科研生產(chǎn)公司、進(jìn)步火箭航天中心、動力機械制造科研生產(chǎn)公司、能源火箭航天公司等，此外，還包括一批俄羅斯科學(xué)院相關(guān)專業(yè)研究所和高校的研究機構(gòu)，如俄羅斯科學(xué)院約非物理技術(shù)研究所、俄羅斯莫斯科國立航空航天大學(xué)、俄羅斯國立鮑曼科技大學(xué)。
三、發(fā)展現(xiàn)狀
目前，雖未見俄航天納米技術(shù)領(lǐng)域公開的專門研究項目或計劃，但是從俄羅斯歷年舉行的國家級展覽、論壇和科技大會以及俄羅斯公開發(fā)表的學(xué)術(shù)報告文集、匯編等出版物上，可以看到俄航天領(lǐng)域納米技術(shù)的主要研究方向以及取得的部分成果。
2009年11月，凱爾迪什研究中心在莫斯科召開第一屆“全俄用于航天設(shè)備的功能性納米材料”大會。由凱爾迪什研究中心、研究納米技術(shù)的俄高等院校與俄科學(xué)院的相關(guān)科研院所、俄航天領(lǐng)域的科研企業(yè)與機構(gòu)、俄羅斯納米國家集團(tuán)和俄國防工業(yè)綜合體其它行業(yè)的相關(guān)企業(yè)與機構(gòu)的專家學(xué)者參會。會議就“納米合成材料”、“提高航天器效能的納米材料”、“納米材料的電磁特性”和“研究納米材料先進(jìn)的方法和工藝技術(shù)”等專題進(jìn)行了學(xué)術(shù)成果交流匯報，并確定了今后在火箭航天領(lǐng)域納米技術(shù)的主要發(fā)展方向——航天器小型化、提高制造航天裝備材料的強度、通過應(yīng)用耐高溫和侵蝕性介質(zhì)的納米涂層降低工作的故障率、提高火箭發(fā)動機的可靠性、生產(chǎn)高效的`光學(xué)元器件等。
會議在用于航天裝備的碳-聚合納米復(fù)合材料方面，交流了碳納米管的結(jié)構(gòu)和其主要的力學(xué)、熱物理、電學(xué)特性及其獲取和使用方法，以及工作在極端條件下的航天器對材料和涂層的基本要求;介紹了目前對復(fù)合材料特性已取得的研究成果。凱爾迪什中心納米技術(shù)部門展出了曾在莫斯科舉辦的第二屆國際納米技術(shù)大會上獲獎的活動成果——利用等離子集束工藝噴涂的熱防護(hù)涂層和耐磨涂層。這種工藝方法能夠制造可廣泛應(yīng)用的多層納米結(jié)構(gòu)植入涂層。例如，應(yīng)用在發(fā)動機燃燒室側(cè)壁的熱防護(hù)涂層中，能夠提高火箭發(fā)動機推力(放棄以鋯氧化層在燃燒室作為腔壁冷卻幕的方法)，或者提高100～200kg的入軌有效載荷質(zhì)量，由此能節(jié)約1500～3000萬盧布的發(fā)射費用。凱爾迪什研究中心還展示了用納米技術(shù)復(fù)合材料(碳-碳、碳-陶瓷)制成的非冷卻噴管，用在液體火箭發(fā)動機上能夠?qū)⒈葲_提高3%～5%，將有效載荷入軌成本降低15%～20%;并介紹了使用導(dǎo)熱能力非常低或者非常高的材料可以實現(xiàn)具有特殊性能的納米復(fù)合材料的技術(shù)應(yīng)用。在納米粉末及其在特殊陶瓷中的應(yīng)用問題方面，與會專家著重介紹了用溶膠凝膠體(凝膠技術(shù))方法獲取新的納米材料所取得的成就，以及通過使用納米陶瓷提高現(xiàn)代火箭發(fā)動機的性能。俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院強度物理和材料學(xué)研究所的專家們，在理論計算的基礎(chǔ)上研制出了提高耐裂化性的多層納米涂層制造工藝，并介紹了使用多層涂層技術(shù)的熱防護(hù)涂層能夠預(yù)防火箭部件或者飛機發(fā)動機裂化的效果。
2010年6月莫斯科舉行了“全俄青年科技創(chuàng)造成果展”，2010年11月和2011年10月莫斯科舉辦了第三屆和第四屆“國際納米技術(shù)論壇”(RUSNANOTECH)，2013年俄羅斯舉辦了“航空航天創(chuàng)新大會”，2014年俄航天領(lǐng)域舉行了數(shù)次納米研究專題匯報和成果交流會。從以上活動的研究成果匯編中可以看出，目前俄羅斯航天納米技術(shù)研究的主要方向為：材料特性研究、功能性研究、制造方法和技術(shù)研究。而且，俄羅斯航天在納米技術(shù)領(lǐng)域的研究深入、應(yīng)用廣泛、成果豐碩。歷次研究專題匯報和成果交流會研究匯編的部分目錄按大致三個方向分類列出：
�、艔�(fù)合納米材料和結(jié)構(gòu)(材料特性研究)碳納米材料的特性和應(yīng)用、功能性覆層和結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料、含納米微粒的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)材料——碳納米管、用于高溫陶瓷纖維復(fù)合材料——納米結(jié)構(gòu)的多層界面、納米粉末及其在特殊陶瓷工藝上的應(yīng)用、多組分不銹鋼薄膜的其它功能特性(溫度穩(wěn)定性和耐熱性)、納米結(jié)構(gòu)薄膜和涂層在航天設(shè)備上的先進(jìn)新功能、碳納米管的清潔和排除特性、納米鋁氧化過程的調(diào)動、納米結(jié)構(gòu)的合金、納米結(jié)構(gòu)的多層界面、具有形狀記憶功能的納米結(jié)構(gòu)TiNi-TiCu合金系統(tǒng)、光敏納米復(fù)合材料、基于鎵的彌散-硬化納米復(fù)合材料焊料、作為有前景的航天器材料的碳聚合納米合成物、納米粉末及其在特殊陶瓷工藝中的應(yīng)用。
⑵提高航天器效能的納米材料(功能性研究)基于碳納米管的感應(yīng)控制設(shè)備、納米結(jié)構(gòu)在熱核反應(yīng)堆中的問題、防熱防腐蝕和可調(diào)節(jié)航天器結(jié)構(gòu)件表面溫度的涂層、用于降低有效載荷結(jié)構(gòu)件入軌質(zhì)量的輕質(zhì)高強度材料、用于航天器的碳納米管、在高溫加熱器上應(yīng)用納米材料、作為航天設(shè)備先進(jìn)材料的碳聚合納米復(fù)合材料、航天應(yīng)用的功能涂覆層和結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料、液體燃料發(fā)動機燃燒室側(cè)壁納米材料與燃料燃燒產(chǎn)物相互作用的物理化學(xué)過程、納米鋁氧化過程的調(diào)用、新型先進(jìn)功能性納米結(jié)構(gòu)薄膜和敷層及其機械和摩擦性能的獲取和考核、用等離子噴霧粉末噴涂熱防護(hù)納米結(jié)構(gòu)涂層的方法、納米技術(shù)在航天員生命保障系統(tǒng)的未來應(yīng)用。
�、侵圃旒{米材料的先進(jìn)方法和工藝技術(shù)(制造方法和技術(shù)研究)為航天設(shè)備獲取納米材料的激光技術(shù)、利用激光技術(shù)制造基于復(fù)合納米材料的復(fù)雜形狀航天設(shè)備零件、獲取納米材料的氣動力學(xué)和等離子技術(shù)方法以及研究其激光特性;薄膜厚度和其光學(xué)常數(shù)的光學(xué)測量方法、中等能量的散射光譜測量法運用在納米電子和閃爍鏡中的超細(xì)薄結(jié)構(gòu)分析;納米粉末的獲取和航天應(yīng)用、等離子納米粉末冶金的物理化學(xué)和工藝技術(shù);用高溫分解的氣相沉淀法在硅基片表面上合成碳納米管、為獲取各種形狀的碳納米管應(yīng)用磁控管噴涂方法、碳納米系統(tǒng)合成的單相法、垂直定向的納米管的制造方法、帶有納米管的探測傳感器獲取技術(shù)。
四、航天領(lǐng)域納米技術(shù)應(yīng)用前景
作為航天發(fā)展優(yōu)先方向之一的納米技術(shù)，其應(yīng)用前景極其廣泛，包括：工程材料(輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、耐損傷材料、涂層、防熱材料、熱控材料);能量產(chǎn)生和貯存(能量產(chǎn)生、存貯、發(fā)送);推進(jìn)系統(tǒng)(納米推進(jìn)劑、空間推進(jìn));電子器件和傳感器(傳感器、激勵器、其它電子器件);宇航員生命保障系統(tǒng)等。
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