俄航天奈米技術發展現狀分析論文
俄航天奈米技術發展現狀分析論文
一、俄航天奈米技術領域的主導機構
根據2 0 0 7 年8 月2 日俄政府批准的“2008～2011年發展俄聯邦奈米工業基礎設施”聯邦專項計劃的附件1第4項以及附件5第7項，俄聯邦航天局確定俄航天奈米技術研究領域的主導機構為聯邦國企“凱爾迪什研究中心”，同時該中心也是“用於航天技術裝置的功能性奈米材料”方面的領頭機構，以及“航天系統動力和供電”領域的奈米技術應用中心;而該應用中心作為俄政府2007年選定的全俄十幾家奈米工業“集體利用中心”之一，負有在相關聯邦專項計劃的實施範圍內，為俄航天奈米工業領域的研製任務方以及其它行業的研製機構提供利用研究和技術裝置的職能。奈米技術應用中心擁有優秀的專家人才，技術配備力量在俄羅斯處於領先地位，其主要研究領域包括：奈米合成材料、碳奈米管、奈米結構、塗覆面、航天動力以及度量衡計量等。
奈米技術應用中心於2008年底成為凱爾迪什研究中心的獨立分支機構，並得到聯邦專項計劃範圍內的財政專項撥款，用於建設包括新建大樓、購置和開展高水平研究所需的現代化裝置裝置的基礎設施。該中心擁有多套專業化儀器裝置：奈米粉末製造裝置、超聲波分散劑量拌器、蒸發烘乾機、熔模鑄造模型裝置CAM-L252TB、用於製品的燒結和熱處理加工(可達2800℃)的綜合裝置、熱模壓裝置、脈衝等離子燒結裝置FCT-HPD 25等，具有通用性，能夠實現金屬、氧化物、碳化物、氰化物、混合物等各種材料的合成。其中的奈米粉末製造裝置，能合成具有分散度和化學組成為10～80nm粒子的無機奈米粉末，可實現用粉末技術獲取奈米陶瓷和奈米合成產品。這些裝置既可用來進行科研試驗設計工作，也可用於小批次工業生產。
二、俄航天領域“奈米主幹線”專案
2012年，俄羅斯釋出了“為製造導彈航天裝置的高可靠性和高質量的先進產品、研究建立奈米技術研製應用方面的科技儲備”專案(簡稱“奈米主幹線”)的競標書。“奈米主幹線”專案是為發展俄聯邦2030年前航天能力而制定科研課題和提案的綜合研究工作。合同的初始價格為5.833億盧布，完成期限從國家合同的簽訂日的2012年底到2015年底。凱爾迪什研究中心奈米技術部贏得了“奈米主幹線”專案的競標。為實施“ 奈米主幹線” 專案， 凱爾迪什研究中心組織了30多個合作承包機構，其中航天領域的機構主要有複合材料公司、量子科研生產公司、進步火箭航天中心、動力機械製造科研生產公司、能源火箭航天公司等，此外，還包括一批俄羅斯科學院相關專業研究所和高校的研究機構，如俄羅斯科學院約非物理技術研究所、俄羅斯莫斯科國立航空航天大學、俄羅斯國立鮑曼科技大學。
三、發展現狀
目前，雖未見俄航天奈米技術領域公開的專門研究專案或計劃，但是從俄羅斯歷年舉行的國家級展覽、論壇和科技大會以及俄羅斯公開發表的學術報告文集、彙編等出版物上，可以看到俄航天領域奈米技術的主要研究方向以及取得的部分成果。
2009年11月，凱爾迪什研究中心在莫斯科召開第一屆“全俄用於航天裝置的功能性奈米材料”大會。由凱爾迪什研究中心、研究奈米技術的俄高等院校與俄科學院的相關科研院所、俄航天領域的科研企業與機構、俄羅斯奈米國家集團和俄國防工業綜合體其它行業的相關企業與機構的專家學者參會。會議就“奈米合成材料”、“提高航天器效能的奈米材料”、“奈米材料的電磁特性”和“研究奈米材料先進的方法和工藝技術”等專題進行了學術成果交流彙報，並確定了今後在火箭航天領域奈米技術的主要發展方向——航天器小型化、提高製造航天裝備材料的強度、透過應用耐高溫和侵蝕性介質的奈米塗層降低工作的故障率、提高火箭發動機的可靠性、生產高效的`光學元器件等。
會議在用於航天裝備的碳-聚合奈米複合材料方面，交流了碳奈米管的結構和其主要的力學、熱物理、電學特性及其獲取和使用方法，以及工作在極端條件下的航天器對材料和塗層的基本要求;介紹了目前對複合材料特性已取得的研究成果。凱爾迪什中心奈米技術部門展出了曾在莫斯科舉辦的第二屆國際奈米技術大會上獲獎的活動成果——利用等離子集束工藝噴塗的熱防護塗層和耐磨塗層。這種工藝方法能夠製造可廣泛應用的多層奈米結構植入塗層。例如，應用在發動機燃燒室側壁的熱防護塗層中，能夠提高火箭發動機推力(放棄以鋯氧化層在燃燒室作為腔壁冷卻幕的方法)，或者提高100～200kg的入軌有效載荷質量，由此能節約1500～3000萬盧布的發射費用。凱爾迪什研究中心還展示了用奈米技術複合材料(碳-碳、碳-陶瓷)製成的非冷卻噴管，用在液體火箭發動機上能夠將比衝提高3%～5%，將有效載荷入軌成本降低15%～20%;並介紹了使用導熱能力非常低或者非常高的材料可以實現具有特殊效能的奈米複合材料的技術應用。在奈米粉末及其在特殊陶瓷中的應用問題方面，與會專家著重介紹了用溶膠凝膠體(凝膠技術)方法獲取新的奈米材料所取得的成就，以及透過使用奈米陶瓷提高現代火箭發動機的效能。俄羅斯科學院西伯利亞分院強度物理和材料學研究所的專家們，在理論計算的基礎上研製出了提高耐裂化性的多層奈米塗層製造工藝，並介紹了使用多層塗層技術的熱防護塗層能夠預防火箭部件或者飛機發動機裂化的效果。
2010年6月莫斯科舉行了“全俄青年科技創造成果展”，2010年11月和2011年10月莫斯科舉辦了第三屆和第四屆“國際奈米技術論壇”(RUSNANOTECH)，2013年俄羅斯舉辦了“航空航天創新大會”，2014年俄航天領域舉行了數次奈米研究專題彙報和成果交流會。從以上活動的研究成果彙編中可以看出，目前俄羅斯航天奈米技術研究的主要方向為：材料特性研究、功能性研究、製造方法和技術研究。而且，俄羅斯航天在奈米技術領域的研究深入、應用廣泛、成果豐碩。歷次研究專題彙報和成果交流會研究彙編的部分目錄按大致三個方向分類列出：
⑴複合奈米材料和結構(材料特性研究)碳奈米材料的特性和應用、功能性覆層和結構奈米複合材料、含奈米微粒的新型複合結構材料——碳奈米管、用於高溫陶瓷纖維複合材料——奈米結構的多層介面、奈米粉末及其在特殊陶瓷工藝上的應用、多組分不鏽鋼薄膜的其它功能特性(溫度穩定性和耐熱性)、奈米結構薄膜和塗層在航天裝置上的先進新功能、碳奈米管的清潔和排除特性、奈米鋁氧化過程的調動、奈米結構的合金、奈米結構的多層介面、具有形狀記憶功能的奈米結構TiNi-TiCu合金系統、光敏奈米複合材料、基於鎵的彌散-硬化奈米複合材料焊料、作為有前景的航天器材料的碳聚合奈米合成物、奈米粉末及其在特殊陶瓷工藝中的應用。
⑵提高航天器效能的奈米材料(功能性研究)基於碳奈米管的感應控制裝置、奈米結構在熱核反應堆中的問題、防熱防腐蝕和可調節航天器結構件表面溫度的塗層、用於降低有效載荷結構件入軌質量的輕質高強度材料、用於航天器的碳奈米管、在高溫加熱器上應用奈米材料、作為航天裝置先進材料的碳聚合奈米複合材料、航天應用的功能塗覆層和結構奈米複合材料、液體燃料發動機燃燒室側壁奈米材料與燃料燃燒產物相互作用的物理化學過程、奈米鋁氧化過程的呼叫、新型先進功能性奈米結構薄膜和敷層及其機械和摩擦效能的獲取和考核、用等離子噴霧粉末噴塗熱防護奈米結構塗層的方法、奈米技術在航天員生命保障系統的未來應用。
⑶製造奈米材料的先進方法和工藝技術(製造方法和技術研究)為航天裝置獲取奈米材料的鐳射技術、利用鐳射技術製造基於複合奈米材料的複雜形狀航天裝置零件、獲取奈米材料的氣動力學和等離子技術方法以及研究其鐳射特性;薄膜厚度和其光學常數的光學測量方法、中等能量的散射光譜測量法運用在奈米電子和閃爍鏡中的超細薄結構分析;奈米粉末的獲取和航天應用、等離子奈米粉末冶金的物理化學和工藝技術;用高溫分解的氣相沉澱法在矽基片表面上合成碳奈米管、為獲取各種形狀的碳奈米管應用磁控管噴塗方法、碳奈米系統合成的單相法、垂直定向的奈米管的製造方法、帶有奈米管的探測感測器獲取技術。
四、航天領域奈米技術應用前景
作為航天發展優先方向之一的奈米技術，其應用前景極其廣泛，包括：工程材料(輕質結構、耐損傷材料、塗層、防熱材料、熱控材料);能量產生和貯存(能量產生、存貯、傳送);推進系統(奈米推進劑、空間推進);電子器件和感測器(感測器、激勵器、其它電子器件);宇航員生命保障系統等。