国产网红自拍,成人午夜视频网站,国产精品日,国产成人在线视频网站,国产综合视频一区,精品国产一区二区三区四区精华,99爱在线视频

首頁(yè) > 新聞中心 >

為“電火箭”裝顆“陶瓷心臟”——氮化硼材料

為“電火箭”裝顆“陶瓷心臟”——氮化硼材料

編輯:轉自:無(wú)機非金屬材料科學(xué) 發(fā)布時(shí)間:2023-06-02

隨著(zhù)中國空間站“天和”核心艙的發(fā)射入軌,霍爾電推進(jìn)器的“陶瓷心臟”成為人們的關(guān)注熱點(diǎn)。這顆“陶瓷心臟”就是用白石墨復合材料打造的——氮化硼材料

挑戰太空,人類(lèi)一直使用化學(xué)動(dòng)力,即通過(guò)燃燒化學(xué)推進(jìn)劑來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力。航天器發(fā)射入軌后,也需要動(dòng)力來(lái)支持軌道和姿態(tài)的調整,所以必須攜帶化學(xué)燃料或者在軌補加燃料。而攜帶化學(xué)燃料不僅加大了發(fā)射成本,而且在一定程度上影響著(zhù)航天器的空間任務(wù)能力。在這樣的背景下,電推進(jìn)技術(shù)逐步走向應用的前臺。我國空間電推技術(shù)研究起步于20世紀60年代,經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)攻關(guān)終于取得了多項技術(shù)突破。2020年1月,我國首款20千瓦大功率霍爾電推進(jìn)器成功完成點(diǎn)火試驗,并達到了國際先進(jìn)水平。


圖片


“天和”核心艙配置的4臺霍爾電推進(jìn)器,利用核心艙太陽(yáng)能翼產(chǎn)生的電能,為空間站軌道維持和安全飛行提供動(dòng)力支持。霍爾電推進(jìn)器是等離子體推力器的一種,其原理是利用強電場(chǎng)將離子加速?lài)姵觯ㄟ^(guò)其反作用力來(lái)進(jìn)行姿態(tài)調整或者軌道提升。霍爾電推進(jìn)器具有推力小、比沖高的特點(diǎn)。比沖是評價(jià)火箭推進(jìn)劑性能的技術(shù)參數,比沖越高則表示在一定條件下推進(jìn)劑產(chǎn)生的速度增量越大。

空間站在軌運行,由于微重力以及近地空間稀薄大氣阻力的影響,軌道高度的衰減是不可避免的。不過(guò),不需要多大的推力就能做到軌道保持。電推力雖小但可以精準調控,以提升任務(wù)執行能力。高比沖則可以大幅減少航天器攜帶的化學(xué)燃料,以擴展空間任務(wù)的范圍等。

圖片

在霍爾電推進(jìn)器中,等離子體的電離和加速需要在放電腔中完成。霍爾電推進(jìn)器需要一顆堅強的“心臟”,來(lái)產(chǎn)生精確可調的推力。打造這顆堅強的“心臟”,必須滿(mǎn)足耐高溫、抗熱震、耐離子濺射、絕緣性好等條件,才能勝任放電腔的嚴酷工作。中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心研制的氮化硼陶瓷基復合材料,正好滿(mǎn)足了電推進(jìn)器對放電腔材料的特殊要求。

1. 氮化硼
氮化硼(boron nitride,BN)是由第三族元素硼(B)和第五族元素氮(N)組成一種重要的III.V族化合物。
氮化硼是由氮原子和硼原子構成的晶體,除了常見(jiàn)的六方氮化硼(白石墨)外,還有立方氮化硼(CBN)、菱方氮化硼(RBN)、纖鋅礦型氮化硼(WBN)等變體,科學(xué)家甚至還發(fā)現了與石墨烯性質(zhì)類(lèi)似的二維氮化硼晶體。


圖片不同的氮化硼變體具有不同的特點(diǎn)和應用。以六方晶型的白石墨為例,氮原子和硼原子組成的六邊形網(wǎng)狀結構與石墨中的碳原子六邊形網(wǎng)狀結構極為相似,因此在某些方面具有相近的性質(zhì),如二者都具有耐熱性、耐磨性、潤滑性等特性;但白石墨還具有一些獨特的性質(zhì),如石墨既能導熱也能導電,而白石墨能導熱但不能導電。

氮化硼具有寬帶隙、高熱導率、抗氧化性等優(yōu)異的物理化學(xué)性能。氮化硼還在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應用前景。
因此,氮化硼納米材料的制備、納米結構的測量、納米器件的組裝、氮化硼增韌陶瓷及光、電學(xué)性能的測試等成為當今無(wú)機納米材料領(lǐng)域的重要研究方向。
2. 氮化硼結構


氮化硼具有寬帶隙、高熱導率、抗氧化性等優(yōu)異的物理化學(xué)性能。氮化硼的結構與石墨相似,它常見(jiàn)的有兩種雜化方式,sp2和sp3雜化。sp2雜化的BN主要包括六方相氮化硼(h-BN)和三方相氮化硼(r-BN):sp3雜化的BN主要包括立方相氮化硼(c-BN)和纖鋅礦結構氮化硼(w-BN)。圖1為氮化硼各晶型結構示意圖。
圖片

氮化硼各晶型結構示意圖

3. 氮化硼性質(zhì)

雖然氮化硼與石墨的結構相似,但是與石墨相比,氮化硼還具有很多優(yōu)異的物理化學(xué)特性:

1.穩定性

對大多數金屬熔體,如鋼、不銹鋼、AL、FE、Ge、Bi、Si、Cu、等既不潤濕又不發(fā)生作用。因此,可用作熔煉蒸發(fā)金屬的坩鍋、舟皿、液態(tài)金屬輸送管,火箭噴口,大功率器件底座,用作高溫電偶保護,熔化金屬的管道、泵零件、鑄鋼的模具以及高溫電絕緣材料等。

2.耐熱耐蝕性

可以制造高溫構件、火箭燃燒室內襯、宇宙飛船的熱屏蔽、磁流體發(fā)電機的耐蝕件等。

3.絕緣性

廣泛應用于高壓高頻電及等離子弧的絕緣體以及各種加熱器的絕緣子,加熱管套管和高溫、高頻、高壓絕緣散熱部件,高頻應用電爐的材料。

4.熱導性

用作制備砷化鎵、磷化鎵、磷化銦的坩鍋,半導體封裝散熱底板、移相器的散熱棒,行波管收集極的散熱管,半導體和集成電極的p型擴散源和微波窗口。

5.屏蔽性

在原子反應堆中,用作中子吸收材料和屏蔽材料。還可用作紅外、微波偏振器,紅外線(xiàn)濾光片,激光儀的光路通道,超高壓壓力傳遞材料等。

6.潤滑劑

可以作為自潤滑軸承的組分。氮化硼的很多物理性能同石墨相似,因而有白石墨之稱(chēng)。它與云母、滑石粉、硅酸鹽、脂肪酸等統稱(chēng)為白色固體潤滑劑。作為潤滑劑使用,氮化硼可以分散在耐熱潤滑油脂、水或溶劑中;噴涂在摩擦表面上,待溶劑揮發(fā)而形成干膜;填充在樹(shù)脂、陶瓷、金屬表面層作為耐高溫自潤滑復合材料。用于宇航工程上,也可把氮化硼粉末直接涂在導軌面上。氮化硼懸浮油呈白色或黃色。因而在紡織機械上不污染纖維制品,可大量用在合成纖維紡織機械潤滑上。

7.添加劑

由氮化硼加工制成的氮化硼纖維,為中模數高功能纖維,是一種無(wú)機合成工程材料,可廣泛用于化學(xué)工業(yè),紡織工業(yè)、宇航技術(shù)和其它尖端工業(yè)部門(mén)。


4. 氮化硼制備

4.1 硼砂-氯化銨法

硼砂-氯化銨法是將無(wú)水硼砂和無(wú)機致孔劑氯化銨混合后在氨氣流中加熱反應而制得氮化硼。該方法可實(shí)現連續生產(chǎn),提高了生產(chǎn)效率,而且生產(chǎn)成本低,投資少,工藝簡(jiǎn)單;但是由于該方法反應不完全,導致六方氮化硼含量不高,氮化硼純度不高,粒度均勻性差 ,而且還會(huì )產(chǎn)生C等其他雜質(zhì),需要做后期處理,難以達到實(shí)驗要求,故需要進(jìn)一步研究更好地合成工藝。

其反應方程式為:

Na2B4O7+2(NH2)2CO→4BN+Na2O+4H2O+2CO2

Na2B4O7+2NH4Cl+2NH3→4BN+2NaCl+7H2O

4.2 硼砂-尿素法

該方法事先將硼砂與尿素進(jìn)行重結晶提純處理,待處理完成后將硼砂進(jìn)行脫水處理,然后將該脫水處理的硼砂與尿素按一定質(zhì)量比混合,進(jìn)而在900-1100℃下進(jìn)行氮化處理1-2h得到粗晶氮化硼,粗品利用水洗或酸洗至中性,過(guò)濾、干燥得到氮化硼樣品。

制備過(guò)程中涉及的反應式為:

Na2B4O7+2(NH2)2CO=4BN+Na2O+4H2O+2CO2

4.3 硼砂-三聚氰氨法

硼砂-三聚氰氨法是將無(wú)水硼砂粉與三聚氰胺混合均勻,然后在壓力機上進(jìn)行壓塊并置入爐中,待溫度升至400℃時(shí)開(kāi)始通氨,在氨氣氣流中繼續升溫至在1200℃并保溫9 h,降溫后將反應產(chǎn)物進(jìn)行精制,得到純度達到97%以上的氮化硼粉體。

硼砂與三聚氰胺的反應式為:

3Na2B4O7+2(NH2CN)3=12BN+3Na2O+6H2O+6C02

4.4 高頻等離子法

高頻等離子法是以無(wú)水硼砂與尿素為原料,采用高頻氮等離子加熱,反應后得到高純氮化硼。具體步驟如下:將無(wú)水硼砂與尿素混合均勻并在幾十兆帕壓力下經(jīng)模具壓制成型,然后裝入與等離子發(fā)生器相連接的反應爐,由氮等離子火焰加熱,反應爐內溫度約為2000℃,反應時(shí)間約2 h。最后得到純度99%以上的氮化硼產(chǎn)品。此方法對反應設備的要求較高。

4.5 模板法

模板法是利用模板的空間限制作用,制備結構有序、孔徑均勻材料的方法。根據模板應用方式的不同可分為硬模版法、軟模板法和元素置換法。根據氮化硼孔徑的大小,可制備微孔氮化硼(孔徑小于2 nm)、介孔氮化硼(孔徑2~50 nm)和大孔氮化硼(孔徑大于50 nm)。

硬模板法是制備介孔氮化硼材料常用方法。利用多孔固體作為模板,在其孔道中浸漬氮化硼前驅體,經(jīng)熱解合成氮化硼, 然后除去模板得到對應孔結構的多孔氮化硼材料。

軟模板法是最早制備有序介孔材料的方法。以?xún)捎H性表面活性劑構成的超分子聚集體作為模板,氮化硼前驅體和模板之間通過(guò)非共價(jià)鍵作用力作用進(jìn)行自組裝,再熱解得到多孔氮化硼材料。

元素置換法是在高溫條件下,利用硼、氮與碳模板之間的置換反應得到多孔氮化硼材料。產(chǎn)物中的碳含量可通過(guò)對反應溫度的控制來(lái)調整,反應溫度越高,碳含量越低。此方法操作簡(jiǎn)單,污染小,但能耗較高。

5.氮化硼應用


氮化硼具有許多優(yōu)異的特性:


1、優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì),高的熱導率和良好的熱穩定性,是很好的熱導材料和耐熱材料;


氮化硼的導熱性能很強,熱膨脹系數很低,絕緣性能很好,同時(shí)還耐腐蝕和耐高溫。六方氮化硼導熱系數為56.94瓦每米·攝氏度,立方氮化硼的導熱系數為79.54瓦每米·攝氏度,僅次于金剛石。國外的一項研究顯示,單層六方氮化硼在室溫下的導熱系數高達751瓦每米·攝氏度,有望成為下一代柔性電子器件散熱的首選材料。

對于高密度和大功率電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō),做好熱管理是一個(gè)急迫的問(wèn)題。比如,隨著(zhù)LED技術(shù)的普及,“農業(yè)工廠(chǎng)”應運而生。為了彌補光照的不足,用LED植物照射燈代替太陽(yáng)光就成了一個(gè)成熟的解決方案。

6.png

盡管與其他照明設備相比,LED燈具有很高的能量轉換效率,但理論上總的電光轉換效率仍只有54%。這就意味著(zhù)LED植物照射燈仍會(huì )有大量的熱能釋放。特別是當LED芯片溫度超過(guò)140°C時(shí),其壽命的縮短就會(huì )成為一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。如何為L(cháng)ED燈降溫,六方氮化硼再次走進(jìn)科學(xué)家的視野。用六方氮化硼作為填料來(lái)制作具有優(yōu)良電絕緣性和化學(xué)穩定性的導熱塑料,可以提高其導熱性能。

7.png


鹤岗市| 澳门| 德兴市| 田东县| 同德县| 黎城县| 奉节县| 玉屏| 固阳县| 崇文区| 黄龙县| 林周县| 涪陵区| 台北县| 襄城县| 宜黄县| 奎屯市| 宝应县| 博白县| 昌吉市| 恭城| 杭锦旗| 锦州市| 连江县| 汝阳县| 广河县| 库尔勒市| 壶关县| 惠东县| 仙游县| 锦屏县| 永城市| 遵义县| 雷州市| 克东县| 莆田市| 环江| 蒲城县| 盐池县| 木里| 马山县|