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(jī)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(xiàng)計(jì)劃的附件1第4項(xiàng)以及附件5第7項(xiàng)，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(jī)構(gòu)為聯(lián)邦國(guó)企“凱爾迪什研究中心”，同時(shí)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(jī)構(gòu)，以及“航天系統(tǒng)動(dòng)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(xiàng)計(jì)劃的實(shí)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(jī)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(dòng)力以及度量衡計(jì)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(dú)立分支機(jī)構(gòu)，并得到聯(lián)邦專項(xiàng)計(jì)劃范圍內(nèi)的財(cái)政專項(xiàng)撥款，用于建設(shè)包括新建大樓、購(gòu)置和開(kāi)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(jī)、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(wú)機(jī)納米粉末，可實(shí)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(lái)進(jìn)行科研試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(xiàng)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(chǔ)備”項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱“納米主干線”)的競(jìng)標(biāo)書(shū)。“納米主干線”項(xiàng)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(jià)格為5.833億盧布，完成期限從國(guó)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(xiàng)目的競(jìng)標(biāo)。為實(shí)施“ 納米主干線” 項(xiàng)目， 凱爾迪什研究中心組織了30多個(gè)合作承包機(jī)構(gòu)，其中航天領(lǐng)域的機(jī)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(dòng)力機(jī)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(jī)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(guó)立航空航天大學(xué)、俄羅斯國(guó)立鮑曼科技大學(xué)。
三、發(fā)展現(xiàn)狀
目前，雖未見(jiàn)俄航天納米技術(shù)領(lǐng)域公開(kāi)的專門(mén)研究項(xiàng)目或計(jì)劃，但是從俄羅斯歷年舉行的國(guó)家級(jí)展覽、論壇和科技大會(huì)以及俄羅斯公開(kāi)發(fā)表的學(xué)術(shù)報(bào)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(kāi)第一屆“全俄用于航天設(shè)備的功能性納米材料”大會(huì)。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(jī)構(gòu)、俄羅斯納米國(guó)家集團(tuán)和俄國(guó)防工業(yè)綜合體其它行業(yè)的相關(guān)企業(yè)與機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者參會(huì)。會(huì)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(bào)，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(qiáng)度、通過(guò)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(dòng)機(jī)的可靠性、生產(chǎn)高效的`光學(xué)元器件等。
會(huì)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(duì)材料和涂層的基本要求;介紹了目前對(duì)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(mén)展出了曾在莫斯科舉辦的第二屆國(guó)際納米技術(shù)大會(huì)上獲獎(jiǎng)的活動(dòng)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(dòng)機(jī)燃燒室側(cè)壁的熱防護(hù)涂層中，能夠提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(wàn)盧布的發(fā)射費(fèi)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(dòng)機(jī)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(shí)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(wèn)題方面，與會(huì)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(guò)使用納米陶瓷提高現(xiàn)代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院強(qiáng)度物理和材料學(xué)研究所的專家們，在理論計(jì)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)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(huì)”，2014年俄航天領(lǐng)域舉行了數(shù)次納米研究專題匯報(bào)和成果交流會(huì)。從以上活動(dòng)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?yàn)椋翰牧咸匦匝芯�、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(bào)和成果交流會(huì)研究匯編的部分目錄按大致三個(gè)方向分類(lèi)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(guò)程的調(diào)動(dòng)、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。
�、铺岣吆教炱餍艿募{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(wèn)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(qiáng)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(dòng)機(jī)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(guò)程、納米鋁氧化過(guò)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(jī)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(lái)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(dòng)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(cè)量方法、中等能量的散射光譜測(cè)量法運(yùn)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?chē)娡糠椒�、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(cè)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(lì)器、其它電子器件);宇航員生命保障系統(tǒng)等。
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