近年來 ,納米技術與納米材料的發展日新月異,其成果已經延伸到諸多軍用和民用領域。在航空界,納米技術和納米材料更是找到了用武之地。微納米飛行器、納米增韌陶瓷/增韌玻璃、納米增強復合材料、納米飛機涂層….,這些納米高新技術在飛機上的應用層出不窮。尤其值得注意的是,納米材料在飛機表面蒙皮中的應用,很多方面已經取得重大突破??梢灾v,納米技術,已經為現代飛機披掛上了高科技的“衣裳”。


神奇的納米“隱身衣”


隱身技術是為了減少飛機的雷達、紅外線、光電、目視等觀測特征而在設計中采用的專門技術,其目的是為了飛機在突防時不被敵方探測器發現,從而增強攻擊的突然性,提高飛機的生存力和作戰效能。作為一種方便、經濟、極強適應性的飛機隱身途徑,隱身技術已經在航空航天、軍事裝備上得到廣泛應用。目前,最具挑戰性的隱身技術是吸波涂料的開發與應用。吸波涂料按其功能又可分為雷達吸波涂料、紅外吸波涂料、可見光吸波涂料、激光吸波涂料,聲納吸波涂料和多功能吸波涂料。由于雷達偵察是目前世界上用得最多、最有效的偵察手段之一,因此雷達吸波涂層自然也就成為一種重要的飛機隱身手段。


雷達吸波涂料對雷達發射的電磁波具有高吸收和低反射的特性。由于納米材料的結構尺寸在納米量級、物質的量子效應和表面效應等對材料性能有重要影響,因此在微波場的輻射下,原子、電子運動加劇,促使磁化,使電磁能轉化為熱能,從而增加了對電磁波的吸收性能。正是由于以上原因,和普通的吸波涂料相比納米吸波涂料具有更佳的雷達波高吸收和低反射特性。


現代戰機的隱身表面涂料大都由納米材料與看機涂料復合而成,它通過精細控制無機納米粒子使其均勻分散在高聚物基體中,性能變得更加優異。當今,美國在飛機雷達吸波涂料隱身技術基礎理論和實際應用研究方面居世界前列。以其第一代隱身戰斗機F-117為例,該飛機機身表面包覆了紅外與微波隱身材料,這種隱身材料中含有多種超微粒子,特別是納米粒子,其對不同波段的電磁波表現出強烈的吸收能力,可有效逃避雷達不同波段的監視,這使得其在前些年的海灣戰爭和伊拉克戰爭中表現大放異彩。


堅韌的納米“甲胄”


由于具有更高的比強度和比剛度,現代飛機中,復合材料得使用比例越來越多。實驗表明,在復合材料的樹脂中增加一定量的納米材料,其強度有望顯著提高,以美國波音公司最新研制的波音787飛機為例,其復合材料使用量已經達到了全機重量的50%以上,其中,包括大量的納米復合材料。


F-35屬于目前美國最為先進的第5代戰機,由洛克希德·馬丁公司制造。據悉,現在F-35戰機在其機體的許多非承力結構上已經開始使用納米復合材料,如翼尖整流置等。和傳統的飛機碳纖維增強復合材料有所不同,上-35使用的是一種納米碳管增強的熱固性環氧樹脂的復合材料。這種納米碳管增強復材被普遍認為是業已發現的強度最高的材料之一,其強度是碳纖維增強復材的數倍,而重量卻比后者輕25%-30%。洛克希德·馬丁公司的相關負責人表示,這種碳納米管增強復合材料事實上也有望在飛機的承力結構中使用,如飛機的機身和機翼蒙皮等,目前之所以僅用作非承力構件,主要是出于材料認證考慮,而非技術本身。


最近,美國科學家還研究出一種用碳納米管“裝訂”航空材料的技術。該技術可以在略微增加成本的情況下使飛機蒙皮強度提高到原來的10倍。目前,碳復合材料已經廣泛用于航空和航天工。在這類復材中,碳紅維層之間是用聚合物“粘膠”接合的。這類聚合物可能發生撕裂,進而導致碳復合材料解體。為了解決這一問題,美國麻省理工學院科學家在研究過程中使碳納米管與碳纖維層垂直排列,然后對碳纖維層之間的聚合物進行加熱,液化后的聚合物會將碳納米管吸收進去,從而起到“裝訂”碳纖維展的作用。碳納米管直徑只有幾十納米,是碳纖維直徑的千分之一,所以不會破壞碳纖維,而是填充纖維之間的空隙,使材料變得更堅固。據介紹,用于“裝訂”的碳納米管重量只占復合材料總重的1%,復合材料的成本僅增加百分之幾,但強度卻會大大增加。


最后,需要說明的是,除了強度高以外,上述用碳納米管強化過的航空復合材料通常還具有更佳的導電性,這意味著該材料制造的飛機蒙皮可以更好地抵抗雷電的襲擊和損壞。


省油又環保的“納米裝”


近來,歐盟頒布了“對所有入境的航空公司征收航空碳排放稅”的法案。這一法案一頒布,便立刻招來許多航空公司的抵制。盡管如此,該法案環保減排的理念仍然得到了一些航空公司的積極回應。


據英國《每日郵報》報道,為進一步削減燃料開支,降低成本,近日歐洲易捷航空公司宣布將在其部分飛機上對一種新型納米涂層進行實驗,以確定這種涂層在降低油耗方面的作用。據該公司的技術人員介紹,這種納米涂層既輕又薄,可在最大程度上減少飛機自重的增加。該涂層的自身重量幾乎可以忽略不計,因為一架中型客機噴涂這種涂料后,機身增加的重量僅為100來克,而其厚度比人類頭發的平均直徑還要薄100倍。


研究人員稱,這種超微薄膜技術將使機身更符合空氣動力學的要求,更光滑表面能大幅降低飛機飛行時機身與空氣的摩擦阻力,從而起到減少燃油費用的目的,并為航空公司提供了更大的機票折扣空間。其作用就如同用涂料將凹凸不平的水泥墻壁涂平一樣,這種涂層能將機身上用顯微鏡才能觀察到的細微凹陷和突起“抹平”。經過這種技術處理的機身表面將比先前更光滑,氣動性能更好,從而起到降低油耗的目的。


事實上,上述易捷航空公司飛機涂裝過程的原理和年輕女性化妝類似。首先要對機身表面進行一次徹底的清洗,以清除位于機身表面甚至肉眼不可見的凹陷中的污垢,然后向機身施加正電荷,這樣帶有負電荷的超薄納米涂層就能與機身緊密結合在一起,像粉底一樣使整個機身表面光潔、平整、毫無瑕疵。此外,由干涂層中含有強度高、耐久性強的丙烯酸元素,同時這種涂層也具有較好的強度,于是,就在機身表面形成了一道保護屏障,防止污垢和雜物滲入。研究人員聲稱,這種新涂層能有效將每次飛行的燃油消耗減少1%-2%,因而每年將至少為航空公司減少2000萬英鎊的運營成本。


目前,易捷航空公司已有8架飛機涂裝這種涂層,并以12個月為試驗期,通過與其他未噴涂該涂層的飛機進行對比來驗證這種技術的效果。如果該技術節能效果獲得確認,易捷航空公司就會將這種涂層應用到其所有的飛機上。


防曬防腐的納米“護膚霜”


夏天,一些年輕女性會經常在肌膚上涂抹防曬霜,以達到抗紫外、防曬、抗皮膚老化的目的。最近,類似的“護膚”技術也被移植到了飛機上。


眾所周知,由于日曬、雨淋等環境因素,大量使用涂料涂裝的飛機蒙皮涂層會在幾年時間內出現粉化、脫落的現象,進而導致飛機蒙皮局部腐蝕,受損,這不僅使飛機安全性下降,同時也增加了維護保養的時間和費用,大大降低了使用效率。


為了解決這一問題,近來,中科院沈陽金屬所的科學家們開展了一項納米復合涂層新技術。他們首先針對三亞、拉薩、沈陽等地的典型環境,深入研究了納米粉體材料對涂層耐蝕性和耐老化性的作用機理,進而掌握了沿海高溫、高濕、強日照環境下飛機防護的納米復合涂層技術。目前,此項技術已成功用于多種大型運輸機,實踐麥明,經過2年多的使用,所有使用該納米防腐涂層的飛機表面均情況良好,未發現腐蝕或老化失效的現象,其防腐抗老化性能明顯優于早先機體涂層的防護效果。


不沾水防結冰的納米“袍”


飛機機翼前緣、風擋、發動機進氣道口、空速管、操縱面等部位的結冰是一個不容忽視的問題。輕則影響飛機的性能,重則甚至會帶來機毀人亡的事故。為此,大多飛機都安裝有專門的防冰除冰設備。


最近,美國哈佛大學的研究人員開發出了一種納米涂層,在低溫下能使滴濺在其表面的水滴來不及結冰就滑落。該技術有望實現永不結冰的飛機機翼和機身。與目前在除冰融雪中所采用的化學及加熱方法相比,該技術效率更高也更為環保。


那么,這種飛機表面涂層為什么會不沾水,不結冰呢?其實,其中的奧秘和荷葉表面不沾水十分相似。研究表明,荷葉的表面由無數個微米量級的凸起構成,而每個凸起的表面又布滿了直徑為數百納米的手刺。正是這種特殊的表面微納結構,使得荷葉的表面不沾水,即具備了良好的疏水特性。


為了獲得這種可用于飛機防冰除冰的納米超疏水表面,科學家們采取了如下的表面處理技術:首先,在基底上利用非硅表面微加工技術或微復制方法制作疏水微結構;疏水微結構為豎直柱狀陣列結構,包括若干相平行間距為10-100微米的金屬柱,該金屬柱為圓柱體、長方柱體或圓錐體,其下端與其底固定連接,上端的截面頭正方形、長方形、多邊形或球冠狀結構。然后,在疏水微結構表面上涂覆納米修飾膜,并將制備好疏水微結構和涂覆了納米修飾膜的基底進行烘烤處理,進而得到干燥潔凈的超疏水表面。該技術一旦成熟,將有望顯著改善飛機表面與水滴的接觸特性,大幅度降低機身被水滴浸潤的程度;此外,該技術中的納米修飾層還可進一步降低水滴滑過機身表面的粘滯力,減少水珠在機身表面凝結的數量,有效降低飛機表面的結冰程度,達到高效、清潔、低成本的飛機防冰目的。

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