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hht007hht木虫 (初入文坛)
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军用装备防护中--纳米技术在的应用现状和发展趋势
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引言 纳米技术是20 世纪80 年代末诞生并正在蓬勃发展的一项高新技术。其内容是在纳米尺度（0.1～100nm）范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特征制造具有特定功能产品。纳米材料由于具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，产生出与传统固体材料不同的许多独特性质，在诸多领域应用前景广阔。 在高技术武装起来的现代化局部战争中，交战双方投入使用的武器装备数量和质量成为取胜的关键，占据军事科技的制高点，积极探索纳米材料在现代武器装备防护中的应用，用纳米技术改善现有武器性能，提高战技指标，增强其战场生存能力，提升其综合战斗力，目前已经成为世界各国争相研究的热点。 结合纳米材料和军用装备的自身特点，本文着重从以下方面对应用于装备防护中的纳米材料和纳米技术的研究、应用现状和发展趋势进行介绍。 在防弹耐热材料中的应用 随着现代兵器破坏力的不断增强，传统材料因性能缺陷导致其无法满足武器装甲防护性能和超常规弹药威力不断加大的需求，而纳米材料具有十分奇特的力学性能，在满足武器装备使用、防护性能的前提条件下，能显著增强其在战场上的综合性能，因而成为世界各国争相研究的一大热点。目前在装备防护中已经取得了一定程度应用的有纳米陶瓷、碳纳米管和纳米布纤维。 纳米陶瓷 陶瓷是良好的绝热材料之一，同时具有硬度大的特点，但传统陶瓷材料质地较脆、韧性差，使其在火箭发动机以及防护装甲中应用范围受到限制。而纳米陶瓷（指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料）的基本成分与传统陶瓷无太大区别，但其宏观性质却发生了很大变化，不仅保持了原来绝热好的特点，而且致密化速度快、烧结温度低，具有十分优异的强度、硬度、韧性、弹性模量和抗高温蠕变性能，使之可以机械加工、弯曲，而且耐高温。据报道，纳米级氧化锆（ZrO2）粉料可以在1250℃的温度下烧结成陶瓷，比传统烧结温度低400℃，密度可达到理论密度的98%以上，且具有400%的塑性形变。 美国空军正在研究将纳米陶瓷用于制作飞机、火箭、导弹的发动机的技术途径。这种发动机不仅能够满足在恶劣环境下正常工作的需求，而且具有功率大、安全性好、航速高，节省能源；在应用纳米技术研制的陶瓷基复合材料方面，已用碳纤维增强陶瓷基复合材料试制出燃气涡轮发动机燃烧室，而且热力学性能极好，目前美国空军正在研究将其用于液体火箭发动机的可行方案。同时，用纳米陶瓷制作的航天器、飞机的防护层、坦克的防护装甲，其抗穿甲能力可以提高4～5 倍。 碳纳米管 碳纳米管是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的中空的“微管”，分为单层管和多层管。多层管由若干个层间距约为0.34nm 的同轴圆柱面套构而成。管的外径一般在几纳米到几十纳米，管的内径只有1nm左右，长度在微米量级。碳纳米管强度是钢的100 倍，密度只有钢的1/6，而且耐热性能良好。用作火箭、导弹的壳体材料，不仅可以降低燃气的烧蚀作用，而且可大大提高强度，增加对目标的侵彻、破坏能力和自身抗弹能力，甚至可以实现使拦截导弹滑落或破片弹射回去的奇迹。如果用纳米碳管纤维材料制造飞机、航天器的壳体和受力部件,不仅可以大幅增加飞机、航天器的强度和安全性，而且可以减轻重量，增大运载能力。由防弹陶瓷外层和碳纳米管复合材料作衬底，可制成质量轻巧、坚硬如钢的防弹背心和防弹头盔。 纳米布纤维 将纤维材料直接制成纳米纤维，然后再编织成“纳米布”。据报道，美国军队系统指挥部和阿克隆大学合作开发出了用于服装的纳米纤维材料，利用这种低密度、高孔隙度和大比表面积纳米纤维材料制成的多功能功能材料卷防护服，具有所谓的“可呼吸性”，既能挡风、过滤细微粒子包括对生化武器和生化有毒物的阻挡与过滤，也能允许汗液的挥发与扩散，穿着十分舒适。在国内，中科院化学所也已研制出不沾水、不沾油的“纳米布”，用它可制成水陆两用服装。 此外，美国还在研究纳米材料对环境变化的敏感性，将其添加到士兵的军装中，利用纳米材料改变面料的颜色，当外界环境发生变化时，当士兵伪装得更好；利用纳米材料改变纤维的结构，使士兵感到燥热的时候可为其降温，冷的时候可提供温暖；利用纳米材料制成能释放生物和化学武器解毒剂的军装和面具，当士兵能在受到生物武器和化学武器污染的战场上行动自如等。 在装备防腐技术中的应用 目前世界各军武器装备无一例外的遭受到周围环境破坏和腐蚀，不仅增加了维修工作量，降低了武器系统使用性能，造成巨大的经济损失，而且影响训练和战备任务，将纳米技术应用到装备防腐领域[5]，成为解决这一问题的新途径。 纳米电刷镀涂层技术 在常规电刷镀镀液中加入一种或几种纳米颗粒，通过高能机械化学法，使纳米颗粒均匀分散并稳定悬浮，刷镀过程中纳米颗粒与基质金属镍发生共沉积，从而得到弥散分布着硬质纳米颗粒的复合刷镀层，可显著提高基体材料的防腐性能。该技术可以对腐蚀的飞机蒙皮进行快速修复，空军某厂用于进口飞机发动机压气机叶片的修复与再生等领域。 纳米固体薄膜技术 纳米固体薄膜减摩防腐技术是将固态物质涂(镀)于摩擦界面，起到固体润滑作用，以降低摩擦，减少磨损，同时具有防止腐蚀的作用。纳米固体薄膜减摩防腐技术特别适用于解决特殊工况条件下的润滑和防腐难题。目前添加纳米Al2O3 的固体润滑膜已在两栖装甲车辆的 部件上得到了应用。 纳米涂料及涂装技术 在涂料中加入纳米添加剂后形成的防腐涂料可大大增强其防腐效果。据报道，采用纳米材料合成的有机硅改性水性硅酸盐富锌涂料，可经受1000h 的盐雾试验，目前已经得到了实际应用，其防腐效果良好。开发出的纳米锌粉/磷酸盐无机自干防腐底漆，也在核潜艇腐蚀严重的内仓地板和洞库海水管道进行了涂装应用试验。 在含能材料中的应用 含能材料是各种武器系统杀伤部件的投送者和完成最终任务的实施者，为毁伤介质的发射和目标摧毁提供作功能源。含能材料能量的大小和性能的可靠程度是影响战斗任务完成情况的关键因素之一。目前纳米技术在含能材料中的研究主要体现在以下方面。 1 在主体**中加入纳米级添加剂 在金属化**、复合**中，各种添加剂的粒度对反应效果有着明显的影响，因此国外采用纳米制造技术，制备超细氧化剂和可燃剂，尤其是纳米金属粉，以增加各组分之间接触的紧密性和表面积，从而增加爆轰反应的能量释放速率和金属粉的反应完全性，最大限度地发挥**的能量。我国徐更光院士研究发现，在含铝高能**中，随着铝粉粒度的减小，铝粉参与反应的比表面积增大，**的反应速率加快，金属的能量利用率提高明显。 2 积极探索**的超细化技术 美国、德国、日本、俄罗斯等国对单质**的超细技术研究非常重视。纳米级**，由于颗粒尺寸小，爆炸或燃烧性能都有所提高，并且可使**药柱机械强度得到提高，释放能量可提高几倍甚至几十倍以上，爆速高，爆轰稳定，安全性能良好。国内外对**的超细化方法进行了大量的研究，目前超细**的制备方法只能将**颗粒细化到0.5～5μｍ之间。 3 改善推进剂性能 经研究，将纳米技术应用于推进剂中，不仅可有效改善推进剂的燃烧性能，提高其安定性，而且采用高效率的纳米催化剂，可有效降低催化剂在推进剂中的含量，减少了燃烧产物中的固体颗粒，使羽流特性信号明显降低。从而消弱了导弹在飞行过程中的特征信号，提高 了武器系统的生存能力，增加了隐身攻击目标的能力。 在隐身技术中的应用 现代战争中，侦察与反侦察成为军事斗争的新领域。在美军提出的“发现即被命中，命中即被摧毁”战术思想下，立体化、全方位的侦察网络使主战武器装备的机动性和战场生存能力受到严峻挑战。尤其是大尺寸、远程武器的隐蔽性和战术机动性难以实施，装备存储位置和发射阵地的保密性无从谈起。利用纳米微粒材料的尺寸远小于红外和雷达波波长、磁损耗大等特点，在较宽的频谱范围内具有良好的吸波性，可望制成雷达和红外波兼容的宽谱段高性能隐身材料，改善武器装备的隐身性能。 有研究表明，纳米微粒可以在隐身材料上发挥作用，例如纳米氢化铝、纳米氧化铁、纳米氧化硅和纳米氧化钛的复合粉体与高分子纤维结合，对中红外波段有很强的吸收性能，这种复合体对这个波段的红外探测器有很好的屏蔽作用。 目前，美国研究的第4 代纳米吸波材料“超黑粉”，对雷达波的吸收率可达99%，同时具备防可见光和红外线等多功能综合性能，其实质就是用纳米石墨作吸收剂制成的石墨/热塑性复合材料和石墨/环氧树脂复合材料,不仅吸收率大,而且在低温下仍保持很好的韧性。法国 田春雷等：纳米技术在军用装备防护中的应用2025研制成功一种宽频隐身涂层，它由粘合剂和纳米级微填充材料构成。 我国在纳米隐身材料研究方面也取得了一定的突破，在某些方面达到了较高水平，但在实际应用方面甚少。 在电子防护系统中的应用 随着纳米技术在电子领域的不断应用，纳米电子技术应运而生。在分子、原子基础上，立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念构造出来的纳米电子功能器件，超出了微电子的物理极限，体积更小、速度更快、集成度更高、功耗更低。纳米电子器件在装备防护系统中的广泛使用，将引起其性能的全方位提升，具体体现在以下方面： （1）大大提高武器的智能性； （2）增大信息获取速度，改善射击精度； （3）增加冗余系统，提高安全可靠性； （4）提高系统集成度，增加可靠性； （5）减少体积，降低重量； （6）节约成本，缩短研制、更新周期。 存在的问题 纳米技术在装备防护中的应用前景广阔，但距离真正的实用阶段还有很大距离，目前应用技术依旧停留在初步实验和探索阶段，纳米材料的大规模生产和纳米颗粒的团聚问题以及纳米加工、组装技术、纳米电子技术仍需要深入发展。总体看来，纳米技术在装备防护中的应用存在以下问题： （1）缺乏合成过程机理，纳米材料生产困难； （2）纳米材料在空气中的氧化、吸湿、团聚问题难以解决； （3）纳米材料制备工艺复杂，生产成本高； （4）纳米加工技术进展缓慢。 这些问题都有待于今后研究解决。总之，纳米材料和纳米技术给现代装备防护技术的研究提供了新的思路和途径，为其性能取得突破性的 |
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