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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)?

        發布日期:2022-05-09 作者:大連義邦科技 瀏覽數:4591
        字體:          

        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、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。

         

        在該技術的發展中,先進的材料是保障它可以持續發展的有效動力,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 必須保持尺寸穩定;

        5. 低密度——空間受限組件的重量對于高效發射和操作至關重要。

         

        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,這樣可節省開發成本和提升性能。

         

        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展,引入的BNNT(NanoBarbs?氮化硼納米管)具有高化學穩定性,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則六方氮化硼結晶體的結構,優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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