纳米技术在航空航天工业中的潜力

许多纳米材料的小尺寸、轻质特性和有益特性意味着它们受到许多高科技行业的关注，尤其是那些需要高性能机械性能的行业，例如汽车和航空航天行业。随着航空航天应用资金的增加，许多纳米材料生产商正在与航空航天工业合作，使用纳米材料改进飞机的部件和系统。

鉴于兴趣和投资，以及航空航天领域不断创新的需要，用不了多久我们就会开始看到纳米材料经常用于飞机。在这里，我们着眼于目前新兴的一些关键领域以及纳米材料在哪些领域最具潜力。

轻量化和改进的机械性能

在航空航天业以及任何运输业中，轻量化是材料在安全/稳定性之后需要具备的最重要的特性之一。航空航天业一直在努力减轻飞机的重量，同时在其框架和部件中保持相同水平或更好的机械完整性。飞机越轻，使用的燃料就越少。使用更少的燃料不仅可以减少碳排放并提高燃料效率；它还降低了每次飞行的成本。

多年来，飞机不断变得更轻，纳米材料的小尺寸和轻质特性为制造更轻的飞机提供了机会。复合材料广泛用于制造飞机框架。将纳米材料集成到这些复合材料中可增强机身和内部组件的刚度、强度和鲁棒性，同时使飞机更轻。除了增强的机械性能外，集成纳米材料还可以为机身引入改进的传热和耐热性能。

使用纳米材料的主要好处之一是您无需在复合材料中使用大量纳米材料即可看到好处。通常在几个 wt% 或在某些情况下甚至低于 1 wt% 即可实现效益。引入如此少量也可以减少执行相同功能所需的材料量。因此，除了使用更轻的添加剂外，材料需求的减少还可以协同使用以减轻飞机重量。

纳米材料超越传统复合材料的潜力也存在。近年来，人们对使用增材制造制造热区发动机部件（由金属合金制成）和 3D 打印复合材料产生了浓厚兴趣。将纳米材料集成到 3D 打印热塑性塑料中的潜力是有希望的，因为这可能是一种更便宜、更快捷的方式来更换飞机中的关键和非关键部件，尤其是小型和复杂的部件，同时确保部件的机械和磨损性能保持健全。

不同级别的增强保护

纳米材料有可能保护飞机免受飞行中的恶劣因素以及飞行过程中可能影响飞机的许多不同因素的影响。许多纳米材料具有出色的稳定性，以及出色的导电性/耗散性或绝缘特性（取决于所讨论的材料和应用）。这种保护可以通过将纳米材料集成到飞机主机复合结构中或作为飞机表面的保护屏障涂层来实现，从而可以直接阻挡或消散外部危害。

可能影响飞机的外部危害的一个例子是闪电。飞机时刻处于被雷击的危险之中，尤其是机翼，如果能量不能有效消散，可能会对飞机造成严重的结构损坏。然而，通过将石墨烯等高导电纳米材料集成/涂覆到飞机机翼中，您可以获得一种轻型解决方案，可以用电耗散雷击产生的能量。在许多飞机上，沉重的金属结构被用来驱散闪电，但也有使用更多复合材料的动力。因此，纳米材料提供了创造轻质导电复合材料的潜力，可以有效地取代金属现状。

将纳米材料集成到飞机的关键部件中还可以防止冰在这些部件上以及一般的外表面上积聚。除了减轻重量外，在不同组件中添加纳米材料还可以减轻加热循环期间的热机械应力，并提供更高的效率和更低的功耗。纳米材料固有的稳定性和随后稳定的复合结构有助于减少结冰、保护关键部件并防止飞机的空气动力失速。

许多纳米材料——尤其是无机材料，加上一些有机材料如石墨烯——具有很高的耐温性，因此它们可以承受非常高的温度而不会分解。当这些材料与其他材料结合时，无论是在整个飞机中使用的不同塑料中，还是在用于飞机内饰的纺织品中，它们都会为材料带来阻燃性能。除了提供更好的耐火性外，将纳米材料引入其他材料还可以降低着火时释放的有毒烟雾的水平。

在飞机的机身和结构部件中添加纳米材料也可以抑制进入飞机内部的振动。这可能有助于减少机舱内来自外部的噪音。

除了上面提到的其他保护增强功能外，许多纳米材料的固有强度、机械性能和稳定性意味着除了主要优点外，还可以将其他保护性能引入飞机。这些包括抗电磁干扰 (EMI) 和紫外线 (UV) 光线以及增强的耐腐蚀性。

传感器和监控系统

传感器是飞机不可或缺的一部分。飞机上的传感器测量从燃料水平到内部温度和外部条件以及发动机的各个方面的一切，以确保它们正常运行。考虑到飞机飞行的高度和条件以及商用飞机的不同内部因素，传感器是航空航天领域不可或缺的技术，用于监控和确保所有关键系统以最佳和安全的方式工作。

在航空航天传感器中使用纳米材料可能证明是有益的。在传感器中集成纳米材料通常可以开发具有高灵敏度的传感器。如果将正确的材料用作有源传感表面，则由此产生的灵敏度可以大于或等于体积更大的传感器。纳米材料的轻质特性意味着您可以制造非常小、高效的传感器。对于航空航天应用，这具有两个主要优势。

由于纳米材料使设计人员能够制造更小的传感器，航空航天业可以将更多传感器安装到不同的飞机系统中以监测更多参数，从而提高飞机系统的整体安全性和优化。

因为纳米传感器比其他传感器小得多，所以它们也轻得多。因此，对于以轻量化为关键的飞机，纳米材料提供了一种减轻飞行器中使用的传感器重量的方法，这对飞机的燃油效率和油耗具有积极影响。

除了更传统的基于监控的传感器外，纳米材料还可以为飞机前部的高光谱相机带来潜在好处。利用许多纳米材料拥有的宽电磁波谱带宽，纳米材料增强型高光谱相机可以检测可见光、近红外 (NIR)、短波红外 (SWIR) 和长波红外 (LWIR) 波长，并提供有效的即使在恶劣的天气和能见度条件下也具有检测能力。

结论

纳米材料的体积小、重量轻、稳定性好，以及其他特殊性能，例如高导电性，意味着在许多领域将纳米材料集成到现有的复合材料、涂层和电子设备中将为航空航天业带来好处. 这些包括但不限于改进飞机的轻量化、对元素的保护以及飞机内的各种传感和监控设备。

如果资金和创新驱动在纳米材料-航空航天界面继续进行，那么用不了多久纳米材料就会被广泛使用，我们可能会期望在飞机上越来越多地使用纳米材料。未来。

审核编辑黄昊宇