航天军工及核能应用

                 

航天军工:为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度,而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。50至60年代,发动机热端部件材料主要是铸造高温合金,其使用温度为800~900℃;70年代中期,定向凝固超合金开始推广,其使用温度提高到接近1000℃;进入80 年代以后,相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等,并且热障涂层技术得到了广泛的应用,使热端部件的使用温度提高到1200~1300℃,已接近这类合金熔点的80 %,虽然通过各种冷却技术可进一步提高涡轮进口温度,但作为代价降低了热效率,增加了结构复杂性和制造难度,而且对小而薄型的热端部件难以进行冷却,因而再提高的潜力极其有限。陶瓷基复合材料正是人们预计在21 世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料。近20 年来,世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与开发一直十分重视,相继制定了各自的国家发展计划, 并投入了大量的人力、物力和财力, 对这一新型材料寄予厚望。如美国NASA 制定的先进高温热机材料计划(HITEMP)、DOE/NASA的先进涡轮技术应用计划(ATTAP)、美国国家宇航计划(NASP)、美国国防部关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象, 其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650℃或更高 , 从而提高发动机涡轮进口温度, 达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的, 满足军事和民用热机的需要。由于氧化锆陶瓷材料具有高的耐磨性、耐高温和抗化学侵蚀能力, 国外目前已将其应用于发动机高速轴承、活塞、密封环、阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。
 
核能应用:随着人类现代化进程的加快,全世界对能源的需求也在迅速攀升,预计到本世纪中叶,全世界对能源的需求将增加一倍。但是化石能源的日渐枯竭及其不可持续性使得人类越来越需要依赖于新能源。核能因为其极低的二氧化碳排放和极大的发展潜力而越来越受到众多国家的重视。核电产业的迅速膨胀使得民众对核安全、核扩散更加关注。现役的核电站使用寿命的最大化、核能能否提供友好的接口以满足其他能源的需求以及乏燃料的妥善有效处理是核能发展必须要面对的挑战。为应对这些挑战,未来先进核能系统必然需要新的材料技术和新的化学处理技术,其中纳米材料与技术被认为在未来核能发展中处于关键地位。纳米级的尺寸使得纳米材料不仅具有量子尺寸效应与量子隧道效应,而且比其他普通材料具有更大的表面积和较多的表面原子,从而显示出不同于一般材料的独特物理化学性质。由于纳米材料技术的良好应用前景,在世界范围内,主要核能国家也越来越关注纳米材料技术在先进核能系统中的应用基础研究。氧化锆纳米陶瓷将显示出在未来先进核能体系中广泛的潜在应用前景。
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