許多納米材料的小尺寸、輕質(zhì)特性和有益特性意味著它們受到許多高科技行業(yè)的關(guān)注，尤其是那些需要高性能機(jī)械性能的行業(yè)，例如汽車和航空航天行業(yè)。隨著航空航天應(yīng)用資金的增加，許多納米材料生產(chǎn)商正在與航空航天工業(yè)合作，使用納米材料改進(jìn)飛機(jī)的部件和系統(tǒng)。

鑒于興趣和投資，以及航空航天領(lǐng)域不斷創(chuàng)新的需要，用不了多久我們就會(huì)開始看到納米材料經(jīng)常用于飛機(jī)。在這里，我們著眼于目前新興的一些關(guān)鍵領(lǐng)域以及納米材料在哪些領(lǐng)域最具潛力。

輕量化和改進(jìn)的機(jī)械性能

在航空航天業(yè)以及任何運(yùn)輸業(yè)中，輕量化是材料在安全/穩(wěn)定性之后需要具備的最重要的特性之一。航空航天業(yè)一直在努力減輕飛機(jī)的重量，同時(shí)在其框架和部件中保持相同水平或更好的機(jī)械完整性。飛機(jī)越輕，使用的燃料就越少。使用更少的燃料不僅可以減少碳排放并提高燃料效率；它還降低了每次飛行的成本。

多年來，飛機(jī)不斷變得更輕，納米材料的小尺寸和輕質(zhì)特性為制造更輕的飛機(jī)提供了機(jī)會(huì)。復(fù)合材料廣泛用于制造飛機(jī)框架。將納米材料集成到這些復(fù)合材料中可增強(qiáng)機(jī)身和內(nèi)部組件的剛度、強(qiáng)度和魯棒性，同時(shí)使飛機(jī)更輕。除了增強(qiáng)的機(jī)械性能外，集成納米材料還可以為機(jī)身引入改進(jìn)的傳熱和耐熱性能。

使用納米材料的主要好處之一是您無需在復(fù)合材料中使用大量納米材料即可看到好處。通常在幾個(gè) wt% 或在某些情況下甚至低于 1 wt% 即可實(shí)現(xiàn)效益。引入如此少量也可以減少執(zhí)行相同功能所需的材料量。因此，除了使用更輕的添加劑外，材料需求的減少還可以協(xié)同使用以減輕飛機(jī)重量。

納米材料超越傳統(tǒng)復(fù)合材料的潛力也存在。近年來，人們對(duì)使用增材制造制造熱區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)部件（由金屬合金制成）和 3D 打印復(fù)合材料產(chǎn)生了濃厚興趣。將納米材料集成到 3D 打印熱塑性塑料中的潛力是有希望的，因?yàn)檫@可能是一種更便宜、更快捷的方式來更換飛機(jī)中的關(guān)鍵和非關(guān)鍵部件，尤其是小型和復(fù)雜的部件，同時(shí)確保部件的機(jī)械和磨損性能保持健全。

不同級(jí)別的增強(qiáng)保護(hù)

納米材料有可能保護(hù)飛機(jī)免受飛行中的惡劣因素以及飛行過程中可能影響飛機(jī)的許多不同因素的影響。許多納米材料具有出色的穩(wěn)定性，以及出色的導(dǎo)電性/耗散性或絕緣特性（取決于所討論的材料和應(yīng)用）。這種保護(hù)可以通過將納米材料集成到飛機(jī)主機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)中或作為飛機(jī)表面的保護(hù)屏障涂層來實(shí)現(xiàn)，從而可以直接阻擋或消散外部危害。

可能影響飛機(jī)的外部危害的一個(gè)例子是閃電。飛機(jī)時(shí)刻處于被雷擊的危險(xiǎn)之中，尤其是機(jī)翼，如果能量不能有效消散，可能會(huì)對(duì)飛機(jī)造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞。然而，通過將石墨烯等高導(dǎo)電納米材料集成/涂覆到飛機(jī)機(jī)翼中，您可以獲得一種輕型解決方案，可以用電耗散雷擊產(chǎn)生的能量。在許多飛機(jī)上，沉重的金屬結(jié)構(gòu)被用來驅(qū)散閃電，但也有使用更多復(fù)合材料的動(dòng)力。因此，納米材料提供了創(chuàng)造輕質(zhì)導(dǎo)電復(fù)合材料的潛力，可以有效地取代金屬現(xiàn)狀。

將納米材料集成到飛機(jī)的關(guān)鍵部件中還可以防止冰在這些部件上以及一般的外表面上積聚。除了減輕重量外，在不同組件中添加納米材料還可以減輕加熱循環(huán)期間的熱機(jī)械應(yīng)力，并提供更高的效率和更低的功耗。納米材料固有的穩(wěn)定性和隨后穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)有助于減少結(jié)冰、保護(hù)關(guān)鍵部件并防止飛機(jī)的空氣動(dòng)力失速。

許多納米材料——尤其是無機(jī)材料，加上一些有機(jī)材料如石墨烯——具有很高的耐溫性，因此它們可以承受非常高的溫度而不會(huì)分解。當(dāng)這些材料與其他材料結(jié)合時(shí)，無論是在整個(gè)飛機(jī)中使用的不同塑料中，還是在用于飛機(jī)內(nèi)飾的紡織品中，它們都會(huì)為材料帶來阻燃性能。除了提供更好的耐火性外，將納米材料引入其他材料還可以降低著火時(shí)釋放的有毒煙霧的水平。

在飛機(jī)的機(jī)身和結(jié)構(gòu)部件中添加納米材料也可以抑制進(jìn)入飛機(jī)內(nèi)部的振動(dòng)。這可能有助于減少機(jī)艙內(nèi)來自外部的噪音。

除了上面提到的其他保護(hù)增強(qiáng)功能外，許多納米材料的固有強(qiáng)度、機(jī)械性能和穩(wěn)定性意味著除了主要優(yōu)點(diǎn)外，還可以將其他保護(hù)性能引入飛機(jī)。這些包括抗電磁干擾 (EMI) 和紫外線 (UV) 光線以及增強(qiáng)的耐腐蝕性。

傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)

傳感器是飛機(jī)不可或缺的一部分。飛機(jī)上的傳感器測(cè)量從燃料水平到內(nèi)部溫度和外部條件以及發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)方面的一切，以確保它們正常運(yùn)行?？紤]到飛機(jī)飛行的高度和條件以及商用飛機(jī)的不同內(nèi)部因素，傳感器是航空航天領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)，用于監(jiān)控和確保所有關(guān)鍵系統(tǒng)以最佳和安全的方式工作。

在航空航天傳感器中使用納米材料可能證明是有益的。在傳感器中集成納米材料通?？梢蚤_發(fā)具有高靈敏度的傳感器。如果將正確的材料用作有源傳感表面，則由此產(chǎn)生的靈敏度可以大于或等于體積更大的傳感器。納米材料的輕質(zhì)特性意味著您可以制造非常小、高效的傳感器。對(duì)于航空航天應(yīng)用，這具有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。

由于納米材料使設(shè)計(jì)人員能夠制造更小的傳感器，航空航天業(yè)可以將更多傳感器安裝到不同的飛機(jī)系統(tǒng)中以監(jiān)測(cè)更多參數(shù)，從而提高飛機(jī)系統(tǒng)的整體安全性和優(yōu)化。

因?yàn)榧{米傳感器比其他傳感器小得多，所以它們也輕得多。因此，對(duì)于以輕量化為關(guān)鍵的飛機(jī)，納米材料提供了一種減輕飛行器中使用的傳感器重量的方法，這對(duì)飛機(jī)的燃油效率和油耗具有積極影響。

除了更傳統(tǒng)的基于監(jiān)控的傳感器外，納米材料還可以為飛機(jī)前部的高光譜相機(jī)帶來潛在好處。利用許多納米材料擁有的寬電磁波譜帶寬，納米材料增強(qiáng)型高光譜相機(jī)可以檢測(cè)可見光、近紅外 (NIR)、短波紅外 (SWIR) 和長(zhǎng)波紅外 (LWIR) 波長(zhǎng)，并提供有效的即使在惡劣的天氣和能見度條件下也具有檢測(cè)能力。

結(jié)論

納米材料的體積小、重量輕、穩(wěn)定性好，以及其他特殊性能，例如高導(dǎo)電性，意味著在許多領(lǐng)域?qū)⒓{米材料集成到現(xiàn)有的復(fù)合材料、涂層和電子設(shè)備中將為航空航天業(yè)帶來好處. 這些包括但不限于改進(jìn)飛機(jī)的輕量化、對(duì)元素的保護(hù)以及飛機(jī)內(nèi)的各種傳感和監(jiān)控設(shè)備。

如果資金和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)在納米材料-航空航天界面繼續(xù)進(jìn)行，那么用不了多久納米材料就會(huì)被廣泛使用，我們可能會(huì)期望在飛機(jī)上越來越多地使用納米材料。未來。

審核編輯黃昊宇