纳米金刚石在航天器领域的应用

更新日期:[2016/9/26]

巴西坎皮纳斯州立大学的研究者近日通过靶向高速粉碎的方式制造出纳米金刚石和其他纳米碳材料;该技术有望解决高速撞击带来的物体结构性损害。


极高速条件下发射纳米碳球弹时所形成的纳米金刚石和其他纳米碳材料

实验在不同速度条件下对纳米碳管进行弹道粉碎,从而得到纳米金刚石;研究发现这种高能撞击能够引起纳米碳管中原子键的破裂并发生重组,从而形成新的结构。论文合著者Sehmus Ozden介绍到:了解纳米碳管的原子键是如何发生重组可以帮助我们利用这种重组方式来研制出超轻材料

该技术可以用在航天器和卫星材料方面,有效抗击高速抛射体的冲撞。研究成果发表在美国化学协会期刊上。

陨石和轨道碎片这些高速运动的抛射体对于航天器和卫星来说都具有毁灭性的损害。而采用轻量级柔性材料则可以大大减缓发生冲撞时所带来的损害。纳米碳管则是研制这种新材料的最佳选择。

工作人员将多层纳米碳管装入球形子弹,然后用二级轻气炮对着铝材目标射击;对三种不同速度条件下的射击冲击进行分析。

3.9千米/秒的低速冲撞试验中,纳米碳管的结构保持不变;提速至5.2千米/秒时,仍有一部分纳米碳管结构保持不变;提速至6.9千米/秒时,纳米碳管结构基本被粉碎,原来结构已经发生变化;而此时多数纳米碳管被分裂成条带状。

合作者Chandra Sekhar Tiwary发现,少数幸存下来的纳米碳管和纳米带则结合在了一起,如下面的TEM图所示。

高速靶向射击的纳米碳管中所形成的纳米金刚石的TEM图,内嵌图为纳米结构的衍射图

Tiwary介绍到,之前的研究就已经发现纳米碳管在极高速条件下可以形成石墨烯带;我们一直希望能够得到碳纳米结合结构,但与此同时能发现纳米金刚石的形成的确令人吃惊。根据Ajayan的分析,纳米管相互间的方向、纳米管和铝材靶向的关系以及纳米管的层数和发射速度对于最终材料结构的形成都有着重要影响。

团队合作者Leonardo Machado评价到:这项研究开辟了高速撞击技术制造纳米材料的新途径,对于将来航天器材料和卫星材料的应用或将起到举足轻重的作用。