纳米陶瓷材料及其在军事领域的应用前景

纳米材料导论

纳米陶瓷材料及其在军事领域的应用前景

纳米陶瓷材料及其在军事领域的应用前景

摘要：近期以来外军专家纷纷指出：纳米军事离我们并不遥远，纳米技术革命并非海市蜃楼，纳米

战争从实验室走向未来战场将使新知世界大门洞开，届时联合作战态势更加复杂多变，战争更加扑朔

迷离……进入21世纪，科技发展如火如荼，军事变革风起云涌。站在历史新起点上审视，到底什么

科技能够像核能和微电子技术一样，对未来军事发展产生革命性的深远影响，并将主导新一轮军事变

革？国外专家不约而同地指出：“纳米技术将在21世纪引发重大变革，并成为新的技术革命的核心！”

Abstract: since the recent foreign experts have pointed out that: nano military is not far away from us, not the Nanotechnology Revolution mirage, nano war from the laboratory to the battlefield of the future will make the new world the gate opens, then joint combat situation more complex, more whirling war...... Enter the twenty-first Century, science and technology development like a raging fire, military reform be raging like a storm. Standing on the new historical starting point to examine, what technology can be like nuclear and microelectronic technology, bringing revolutionary far-reaching influence on the future military development, and will lead the new revolution in military affairs? Foreign scholars pointed out: "nanotechnology will cause great change in twenty-first Century, and become the core of the new technological revolution!"

一．纳米陶瓷及其发展历程

陶瓷材料在日常生活、工业生产及国防领域中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了很大限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服传统陶瓷的脆性，使其具有像金属一样的柔韧性和可加工性。与传统陶瓷相比。纳米陶瓷的原子在外力变形条件下自己容易迁移，因此表现出较好的韧性与一定的延展性，因而从根本上解决了陶瓷材料的脆性问题。英国著名材料科学家卡恩在Nature杂志上撰文道：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。”

中国的陶器可追溯到9000年前,瓷器也早在4000年前出现。最初利用火煅烧粘土制成陶器。后来提高燃烧温度的技术出现, 发现高温烧制的陶器, 由于局部熔化而变得更加致密坚硬, 完全改变了陶器多孔、透水的缺点, 以粘土、石英、长石等矿物原料烧制而成的瓷器登上了历史舞台。新型陶瓷诞生于20 世纪二三十年代, 科学技术高速发展,对材料提出了更高的要求。在传统陶瓷基础上, 一些强度高、性能好的新型陶瓷不断涌现, 它们的玻璃相含量都低于传统陶瓷。纳米陶瓷的研究始于80 年代中期。

所谓纳米陶瓷，是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都限于100nm以下，是上世纪80年代中期发展起来的新型陶瓷材料。由于纳米陶瓷晶粒的细化，品界数量大幅度增加，可使材料的韧性和塑性大为提高并对材料的电学、热学、磁学、光学等性能产生重要的影响，从而呈现出与传统陶瓷不同的独特性能，成为当今材料科学研究的热点。

二．纳米陶瓷的制备方法

2．1物理制备方法

物理制备方法主要是蒸发凝聚法和高能机械球磨法两种。

蒸发凝聚法：在真空蒸发室内充入低压惰性气体，加热金属或化合物蒸发源，

由此产生的原子雾与惰性气体原子碰撞而失去能量，凝聚而成纳米尺寸的团簇，并在液氮冷却棒上聚集起来，最后得到纳米粉体。1987年美国Argonne实验室的Siegles采用此法成功地制备了Ti0

2

纳米陶瓷粉体，粉体粒径为5—20nm。

高能机械球磨法：利用机械摩擦的方法得到纳米晶粒。是将粉体放在一个密闭的容器中，随着容器的旋转、振动或剧烈摇动而得到超细微粒。采用此法已制备了19nm左右的压电陶瓷粉体。此外还有机械粉碎、电火花爆炸法等其他物理制备技术。

一般说来，纳米陶瓷粉体物理制备方法的工艺条件较为苛刻，应用范围较窄，粉体粒径控制较为困难，而化学制备方法是在液相和气相条件下，首先形成离子或原子，然后逐步长大，形成所需要的粉体，容易得到粒径小、纯度高的超细粉体。2．2化学制备方法

化学制备方法分为气相化学法和液相化学法。

气相化学法：是在远高于热力学计算临界反应温度条件下，反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸汽压，使其自动凝聚形成大量的晶核。这些晶核在加热区不断长大，聚集成颗粒。随着气流进入低温区，颗粒生长、聚集、晶化过程停止，最终在收集室内收集得到纳米陶瓷粉体。上海硅酸盐研究所的研究人员在1100～

1400℃温度下，分别用Si(CH

3)

2

C1

2

、NH

3

、H

2

作为硅、碳、氮源和载气，制得了平

均粒径为30～50nm的SiC纳米粉和平均粒径小于35nm无定形SiC／Si

3N

4

纳米复合

粉体。气相化学合成按加热热源可分为电阻法、等离子体法、激光法和电子束法等。对于原料容易挥发、蒸汽压高、反应温度不是太高的、反应性高的有机硅、金属氯化物或其它化合物，采用电阻加热法即可。目前有产业化趋势的制备方法是等离子体法和激光法。等离子体法是纳米陶瓷粉体制备的常用方法之一，用该

方法制得了A1

20

3

、Si

3

N

4

、Si

3

N

4

／SiC、AlN、ZrN、TiN等氮化物纳米陶瓷粉体。激

光诱导气相沉积法的基本原理是利用反应气体分子(或光敏剂分子)对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子激光光解、激光热解、激光光敏化和激光诱导化学合成反应，经成核生长成超细粉末。

液相化学方法是通过液相来合成粉体，包括沉淀、溶胶凝胶、喷雾热解、水热合成。

沉淀法：在金属盐溶液中加入适当的沉淀剂得到陶瓷前驱体沉淀物，再将其煅烧形成纳米陶瓷粉体。为了避免严重的硬团聚，往往引入冷冻干燥、超临界干

燥、共沸蒸馏等技术手段。已制备Y-TZP和Y

20

3

一Zr0

2

粉体。

溶胶凝胶法：是20世纪60年代发展起来的一种方法，早期主要用于制备陶瓷材料，其原理是将醇盐溶解于有机溶剂中，通过加入蒸馏水使醇盐水解、聚合、形成溶胶，然后随着水的加入转变成凝胶。凝胶在真空状态下低温干燥，得到疏松的干凝胶，再将其高温煅烧，可得到氧化物纳米陶瓷粉体。采用溶胶凝胶法很

容易合成A1

20

3

、Fe

2

3

、Zr0

2

以及氧化物复合粉等纳米粉体。天津大学的侯峰等人

也因此法制备了钙钛矿纳米陶瓷薄膜。

喷雾热解法：将金属盐溶液以雾状喷人高温气氛中，此时立即引起溶剂的蒸发和金属盐的热分解，随后因过饱和而析出固相，从而直接得到氧化物纳米粉体。或者将溶液喷人高温气氛中干燥，然后再经热处理形成粉体。赵新等用喷雾热解法合成了纳米复合粒子.

水热合成法：是在密闭反应器中以水溶液作为反应体系，通过将水溶液加热至临界温度(或接近临界温度)来进行材料制备。利用超临界的水热合成装置，可

连续获得Fe

20

3

、Ti0

2

、Zr0

2

、BaO·6Fe

2

3

、Fe

3

4

、NiO、Ce0

2

等一系列纳米氧化物

粉体。国外采用气相氢氧焰水解法大批量生产纳米二氧化钛粉体，对于CdS、In

2S

3、

ZnS、SnS

2、CoS

2

等纳米粉体都可用热合成。

三．纳米技术在导弹快艇上的应用

导弹快艇是指运用于舰载机动发射的舰艇，主要适用于海基短程和中程导弹的部署、调整和发射等作业的机动性载具。是现代海战的“格斗性”武器，该装备的突出性能在于“狠”和“快”二点，可担当海上大型舰船（包括航母）的“终结者”。该装备在实战状态下，以下性能的好坏将直接影响到装备的实际战斗力：一、反应速度快；二、高速续航能力强；三、作战半径大；四、配套补给易；五、维修保养强度低。在导弹快艇的发动机、齿轮箱、燃油系统和高速传动系统中，合理利用相应的纳米技术，可以全面提升上述五点性能，提高装备的实际战斗力。

导弹快艇的发动机一般采用船用柴油发动机，相应的润滑产品使用的是柴油机油。导弹快艇的快速反应能力和高速续航能力，都取决于发动机的实际运行性能。通常情况下，发动机冷启动的干磨损要占整个发动机自然磨损的2/3。原因是舰船停泊以后，机油全部回流到底部的油箱中，在发动机各运动部位的金属表面上只剩余一层薄薄的残存油膜。这层油膜在发动机启动后几秒钟内即已破坏，所以没有预热直接发动起航会导致发动机严重的干磨损。

船用柴油发动机属于内燃机，发动机的运行温度主要来源于内燃机的燃烧热量，特别是高速运行时，最高温度将达到600℃。而柴油机油在60℃发生氧化还原反应，温度越高反应速度越快，进而快速失去柴机油应有的润滑效果。为了保证导弹快艇的高速续航能力，只能缩短更换机油的保养周期，也就是增加了保养的频率和强度，进而增加导弹快艇部队的后勤补给任务。

应用于柴油机油的纳米润滑添加剂是液态的，与主体的柴机油是同质的，在原来使用的柴机油中按比例添加健龙节油养护剂LONG-0101或直接使用含有这种纳米润滑剂的健龙节油养护柴机油LONG-03021/2，不会对柴油发动机造成任何不良影响。这种液态纳米添加剂的基本形态是哑铃状，即两个纳米级球体之间有化学键链接。在常温非工作状态下，这个链接纳米球体的化学键没有打开，纳米添加剂的实际形态是由两个以上纳米球体通过化学键链接在一起，有些链接较多球体的微粒直径并不是纳米级的。在发动机启动运行状态下，高温和高剪切力都能使这个链接纳米球体的化学键打开，这些被打开的纳米球体具有很强的“活性”，能快速在润滑面上形成纳米吸附膜和纳米反应膜。这种纳米吸附和反应膜的形成和运行是动态的，与润滑油中纳米球体形成了一个动态平衡，所以使用这种纳米机油可以让发动机在实际运行中进行养护。

根据许多民用车辆的使用验证，可以预测健龙节油养护柴机油LONG-03021/2在导弹快艇发动机应用效果如下：1、延长机油的换油周期四倍以上，机油节省3/4以上，大幅降低导弹快艇的保养频率和强度；2、由于润滑工况改善，平均节省燃油率超过10%，也就是扩大10%的作战半径；3、能平衡提高缸压，增加快艇的动力5%以上；4、快艇可以冷启动，发动了即可起航，即使不预热也不会出现干磨损，提高部队的快速反应能力；5、降低冷却水温度5~12℃，避免水箱开锅；

6、延长发动机的大修周期数倍以上；

7、能降低尾气烟度排放，提高快艇的最高时速10%以上。

导弹快艇使用的燃油就是柴油，由于柴油质量的变化，可能使柴油发动机遇到预燃及后燃烧的问题。这些问题的后果：轻度使柴油发动机不能启动，严重使整个汽缸发生燃烧故障。由于柴油的不饱和烃、重组分和杂质超标，会导致柴油

发动机的油路结垢、沉积物增加，使发动机动力下降，严重时会发生油路堵塞，使发动机熄火。另外柴油的润滑性能不足，会导致燃油泵和喷油嘴磨损，使得发动机动力下降。常规的保养方法就是经常清洗油路及相关部件，作业频率高且作业强度大。

应用于柴油添加的健龙节油养护伴侣LONG-02012柴油是有机化合物，不含金属元素，不含卤素，不含氮（N）、硫（S）、磷（P）等其他元素，与柴油完全互溶，燃烧充分、完全，无有害气体产生，对发动机无任何不良影响。该有机纳米添加剂的纳米特性包括：清洗特性、分散特性、高吸附特性、高渗透特性、大表面积特性、抗摩擦特性。据大量民用车辆的实际验证，其突出优点如下：1、能清洗燃油系统的积碳、油泥、胶质和水份保证油路通畅；2、能疏松和燃烧积碳，可消除火花塞油垢、活塞、喷油嘴等处的积碳；3、能优化柴油的润滑性能，降低燃油泵及喷油嘴的磨损，使燃油雾化充分、燃烧完全；4、能优化燃油的燃烧性能，提升发动机的动力；5、能明显地减少尾气排放；6、平均省油率超过10%，进一步降低导弹快艇的油料补给量和扩大作战半径；7、延长发动机的油路清洗保养周期，降低油路保养强度。

导弹快艇的齿轮润滑使用齿轮润滑油，由于齿轮属于高速重载，使得传统润滑下齿轮维修周期和使用寿命短。齿轮系统的齿轮油中添加健龙节油养护剂LONG-0101，可以降低齿轮箱发出的噪音，延长齿轮油的使用寿命，延长保养周期和降低维修强度。例如南京的一辆越野车，因原齿轮箱在高速行驶时发出噪音，维修保养周期在二个月左右，就是更换全套新齿轮轴承也得不到改善。在该车的齿轮油中添加健龙节油养护剂LONG-0101之后， 14个月了仍能正常运行。

导弹快艇高速传动系统上使用的是润滑脂，而常规润滑脂润滑并不能满足该系统长时间高速运行的需要，使得相应的轴承使用寿命极短。据专业资料，轴承内径乘以转速就是DN值，常规润滑脂只能满足DN值小于300000mm.r/min的润滑需要，而含有材料基态纳米材料的润滑脂能满足DN值150万以上润滑工况的需要。

举一个应用实例：江南计算所（总参五十六所）的数控加工中心VMC1250，功率37KW，主轴直径130mm，最高限速为5000r/min。2005年9月2日因加工需要在5000 r/min的状态下连续工作4小时时发生“抱轴”事故。3日在清洗主轴换用健龙高温润滑脂LONG-0501后，该设备创下了5000r/min连续工作24小时的记录，目前该设备已长期稳定运行。分析一下，本例数控加工中心的DN值已达到65万，原来使用的润滑脂并不能满足高速运行时的润滑需要，所以容易发生“抱轴”事故。

装备永远不会说谎，通过使用燃油和燃油添加剂的添加记录，可以计算出实际的节油效率；通过尾气烟度检测，可以测出实际的减排效果；通过计算吨公里的航行消耗，可明白该快艇的航行效率；通过维护保养周期的延长，可以计算节省的机油、润滑脂、轴承、摩擦副和维修的费用等。对不同装备的验证试验进行总结，我们能制定出规范的执行标准，也就是纳米技术升级军用油料的军标，有利于该技术在全军的推广应用。

四．纳米技术在潜艇上的应用

美国海军情报局2009年报告书指出，中国技术依然很落后。近年来建造的“晋”级潜艇的噪音水平还不及前苏联30年前建造的“德尔塔”-3级潜艇。美国海军在距离中国数千公里的关岛便可以捕捉到中国“晋”级潜艇发出的噪音。美军最新型的“海狼”级核动力潜艇比现役的“洛杉矶”级攻击潜艇要安静70倍。

有分析认为，“海狼”级潜艇以25节时速巡航，产生的噪音也比“洛杉矶”级停靠在港口时的噪音要小。因为技术差距大，美国目前依然不把中国潜艇战斗力的迅速增强视为大的威胁。对美国来说，中国的核动力潜艇差距尤其大。但美国海军在各类报告书中，多次指出中国的“基洛”级、“宋”级、“元”级等柴电潜艇日益大型化，噪音也不断降低，比核潜艇的威胁更大。

攻击航母在内大型水上舰船，攻击性潜艇是绝对的主力战士。同时，潜艇又是中远程战略导弹的机动性载具，可以执行核打击任务的战略制衡武器之一。当今世界，地面和空中目标都完全暴露在美国的GPS全球导航定位系统的监控之下，海中的潜艇则是GPS的“盲区”。如果潜艇的静音技术能成功逃避敌人的声纳系统，潜艇无疑将成为海中的“隐形杀手”。据上述资料，美国海军在距离中国数千公里的关岛就能捕捉到中国“晋”级潜艇的噪音，显然噪音是潜艇的致命伤，如不克服这一致命伤，潜艇将毫无实战价值。

潜艇的噪音主要来自发动机、齿轮箱和高速传动系统，高温、高速、震动、摩擦、磨粒等因素都是噪音的来源。据上述资料，美军最新型的“海狼”级核动力潜艇比现役的“洛杉矶”级攻击潜艇要安静70倍，“海狼”级潜艇以25节时速巡航，产生的噪音也比“洛杉矶”级停靠在港口时的噪音要小。这种潜艇超低音技术的核心，就是合理应用纳米润滑技术。美国合理应用纳米润滑技术有两个环节，一是在动设备和部件的先天制造环节，利用材料基态纳米润滑剂进行润滑预处理；二是在动设备的后天使用环节，使用相应的纳米润滑剂在运行中修复和养护设备，使设备处于理想润滑状态。

第一个制造环节的纳米润滑预处理，是在零件加工环节把材料基态纳米材料加入加工液中，不同的材料添加的纳米材料也不同，然后再进行润滑预处理。润滑预处理是利用材料基态纳米材料，在模拟零件运行的超高低温、高辐射、重载、高速、真空等极端环境中磨合，磨合完毕润滑面上就形成了一层完美的纳米润滑层。零件实际的使用环境都不会超过磨合时的极端环境，所以这层先天形成的纳米润滑层终生不会被破坏。这种经过纳米润滑预处理的装备，美国主要应用于航天、核工业和高尖端军工装备等领域。

这个纳米润滑预处理，实际上就是提高润滑件光洁度的表面加工过程。除了在制造环节可以使用这一润滑预处理，在装备维修保养环节也可以使用这一处理。国内的有关大学已对各种不同纳米材料的纳米润滑特性进行了定性基础性研究，纯国产的材料基态纳米润滑剂也已研发成功。我们可以利用国产材料基态纳米润滑剂，对我国的现役装备进行润滑预处理。那层先天形成的纳米级精度润滑面，为我们潜艇的静音技术提供了最坚实的基础。

第二个使用环节选用适宜的纳米润滑剂，还能使装备在运行中养护和修复，使设备永远处于理想润滑状态下运行。当传统润滑油膜不能满足现代设备实际运行的需要，称为病态润滑；当润滑技术改进能满足现代设备实际运行的需要，称为满足润滑；当润滑技术能使现代设备在运行中养护，不断地自我修复，称为理想润滑。理想润滑的定义是：润滑产品中含有与润滑油或润滑件同质或近质的纳米润滑材料，这些纳米润滑材料结合其他伴随技术后，能根据润滑工况的实际需要形成一种动态修复膜或称实际运行膜，只要使这层动态修复膜的形成环境一直保持，设备将能在实际运行中不断地自我养护，永远都不会毁坏。

这个在运行中动态修复和养护，应该这样理解：如果润滑件的润滑面已被磨的坑坑洼洼凹凸不平，只要能运行起来，材料基态纳米润滑剂能让工况变的越来越好。举一个应用实例：2005年3月，仪征化纤热电生产中心的2＃炉乙侧吸风机

（功率260KW），轴承有异音，温度27℃，水平振动156μm。近两个月，车间在做了动平衡和尝试了各种方法后，振动依然没有缓解。3月2日换用国产材料基态纳米润滑脂后，噪音和振动明显降低，在做了动平衡后，温度降到25℃，水平振动值降到了14μm，运行2个月后振动降到了5μm，设备完全恢复正常运行。润滑脂更换周期从原来的2～4个月延长到36个月，原每次换脂需要1800g，现6个月补脂160g。

美国的纳米润滑技术源自其航天领域的阿波罗登月计划，材料基态纳米润滑剂在航天、核工业和军工领域有广泛的应用。我国纳米技术的起步时间和发展速度，与欧美国家基本上能保持同步。在纳米润滑领域，某些纳米技术已处于国际领先（纳米润滑油是我国独有的），只是中国没有对各种成熟有效的纳米润滑技术进行规范整合，同时相应的纳米润滑产品也没有进行有效的应用和推广。

参考文献

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【2】陈煌，林新华，曾毅，等．热喷涂纳米陶瓷涂层研究进展【JJ．硅酸盐学报，2002，30(2)：235

【3】朱教群，梅炳初，陈艳林．纳米陶瓷材料的制备和力学性能[J】．佛山陶瓷，2002，58(1)：l

【4】Siegel R，Ramasamy S，Hahn H，et a1．Synthesis，characterization aIld pmperties of naIlophase TiO2【J】.J．Mater．Res．，1988，3：1367