氮化硼奈米管加入陶瓷材料中在火箭噴口及火箭外殼的應用

當火箭以每秒8千米的高速執行時，火箭的外殼與大氣發生強烈的摩擦，將會產生上千攝氏度的高溫。與此同時，當火箭發動機工作時，還要噴出幾千攝氏度的高溫氣流。

研發背景

一般來說，火箭的外殼是用鈦合金、鈹合金和鋁合金等材料做成的，如基體直接與高溫接觸，外殼的強度將會大大的減弱，並且由於合金良好的熱傳導率，高溫很快就便會傳到火箭內部，因此，產生的高溫會燒壞各種自動控制儀器和電子元件，為火星的正常飛行埋下了安全隱患。

為了預防熱失控所帶來的高溫危害，人們在火箭的外殼上塗上了一層又輕又薄的特種塗料（耐燒蝕隔熱塗料）。目前先進火箭噴嘴一般採用高效能的碳碳複合材料製成。表面塗有高效能的特種陶瓷塗料，這種塗料大多是由矽、磷、氮、硼、氯等元素合成的有機樹脂，具有耐高溫和自熄的特性，它好比是套在火箭外部的一件石棉衣服。

氮化硼是一種效能優異並有很大發展潛力的新型陶瓷材料，氮化硼奈米管作為氮化硼的另一種形式，具備熱穩定性強、輕質高強、導熱絕緣、耐火阻燃、吸收中子輻射、儲氫和壓電等效能適合航天推進系統和空間的應用，氮化硼奈米管可以加入樹脂或陶瓷中，形成塗料或複合材料元件。加入特種陶瓷形成的塗料可用於火箭外殼耐燒蝕塗料。

在火箭噴口構件的應用

此外，火箭推進系統部件的質量和效能也至關重要，奈米材料的應用使運載火箭、宇宙飛船和飛機的推進部件的質量減少30%，壽命延長一倍。透過開發具有更高熱穩定性和機械強度的輕質複合材料，可以實現減重。因此，火箭噴嘴襯套的結構元件受益於奈米填料，所提升的導熱性和強度。

碳奈米管可製備出強度、韌性、耐久性和溫度穩定性更高的奈米複合材料。然而碳奈米管的加入被控制在5%以下，這是因為碳奈米管在更高的濃度下會團聚，並且這些奈米顆粒的加入會顯著增加粘度。這限制了在機械效能和熱穩定性方面所能達到的改善程度。

氮化硼奈米管（BNNT）與碳奈米（CNT）管的力學效能類似，但比碳奈米管能承受更高一倍的溫度。在陶瓷中加入氮化硼奈米管，可以提高陶瓷的韌性和改善其力學效能。NASA研究人員最近的工作表明，氮化硼奈米管可以生長在陶瓷纖維表面，通常用於陶瓷基複合材料，這種陶瓷基複合材料的強度，比用常規三維預製體增強的複合材料高3倍以上。

氮化硼奈米管遇到的技術難題

以往在陶瓷奈米複合材料中使用氮化硼奈米管，面臨的主要技術挑戰是，批次生產該材料具有很大的難度，難以實現大規模應用。

解決問題的方案

氮化硼奈米管（BNNB），是由全球為數不多的已經實現氮化硼奈米管規模化生產的BNNano公司所生產，透過特有工藝和專利技術，已實現工業化批次生產。

該奈米管在外壁表面上形成不規則的六方氮化硼結晶體，不規則表面使最接近的表面距離最大化，限制範德華力，不易產生結塊。從而有效解決了，因為碳奈米管新增量高於5%而形成團聚和結塊的問題。並且，由於氮化硼奈米管的B-N鍵是永久偶極子，而碳奈米管的C-C鍵沒有極性，所以會加強氮化硼奈米管與基體材料的交聯，與碳奈米管相比可以更高程度的提升複合材料的強度，而其耐高溫是碳奈米管的二倍，也增強了複合材料的耐溫效能。

特有三維結構，可提升交聯

可將該材料，加入陶瓷材料中形成耐熱結構，並顯著提高了陶瓷基複合材料的硬度和耐用性。除了提高硬度和耐高溫能力外，BNNT還為航天和航空應用中使用的某些陶瓷產品，提供了更大的輻射遮蔽能力。

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