纳米技术与应用
《 纳米技术与应用 》课程论文 
纳米技术在军事中的应用
摘要 本文综述了纳米技术在军事领域中的应用，其中包括各种纳米材料和纳米武器，并探讨了纳米技术在军事应用中面临的问题及未来展望。
关键词中国十大名校排名 纳米技术，军事应用，材料，武器
1 前言
进入新世纪，一场新的纳米技术革命正在悄然兴起。历史经验表明，技术革命在带来产业革命的同时，必将引起军事领域的重大变革。美国兰德公司认为，纳米技术将是“未来驱动军事作战领域革命”的关键技术。目前，各主要军事大国，都对纳米在军事武器领域的应用高度重视，加大经费投入，开展研制试验，制造纳米武器。
纳米是一个长度单位，仅有一米的10亿分之一。10亿分之一是什么概念，形象地比喻，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。一纳米相当于数个原子的并列长度。
纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm~100nm）调制的各种固体超细材料。纳米材料有4个基本效应，即小尺寸效应、量子尺寸效应、表面与界面效应、宏观量子隧道效应，由于这些效应，纳米材料具有常规材料所没有的特别性能，如高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热和低熔点、奇特的磁性、极强的吸波性，可以在光电器件、灵敏传感器、隐身技术、催化、信息存储等领域得到广泛的应用[1]。
纳米技术是在0.1纳米到几百纳米的尺度内对原子、分子进行操作、控制和加工的技术。纳米技术的出现，将使物质加工和处理技术达到一个前所未有的水平。在纳米这一极其微小的世界里，纳米技术有着广泛而神奇的用途，发挥着超乎人们想象的作用。在新材料制备和现代制造技术方面，运用纳米技术，可以在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界中不存在的、生物材料和仿生材料；在微电子和计算机技术方面，纳米技术与微电子技术相结合出现的纳米电子学，可以超越集成电路的物理与工艺限制，研制出体积更小、速度更快、功耗更低的新一代量子功能器件，用量子元件代替微电子器件，“深蓝”、“银河”等巨型计算机就能装入口袋，“亚洲一号”通信卫星可只有鸽子大小；在环境与能源技术方面，纳米材料可用来消除水和空气中的污染，成倍地提高太阳能电池的能量转换效率；在医学技术方面，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体之后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补
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损伤组织，在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应，还可研制疾病早期诊断的纳米传感器系统，大大提高医生的诊断水平；在航空航天技术方面，用纳米技术研制的低能耗、 抗辐射、 高性能计算机， 用纳米集成的测试、控制仪器和电子设备以及抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料，将更多地应用到未来航空航天技术领域中[2-5]。
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2纳米科技实用化关键
纳米技术从研究走向实用有3大关键：一是纳米材料的研制，二是寻求超精度微加工方法，三是微机电系统的制造。
首先是研制纳米材料，由于科学家们的努力，如今高能量纳米材料、纳米隐形材料、纳米磁性材料等众多纳米材料已有重大突破。某些纳米材料产品已在高技术开发和军事应用领域得到广泛地应用，表现出优异的应用品质。
其次是解决超精度微加工方法，超精度微加工方法是一种与常规的“由大到小”的加工技术截然不同的加工方法，称为扫描隧道显微镜加工技术。它的基本思路是将常规的“由大到小”的加工方法改变为“由小到大”的加工方法，具体步骤是：将扫描隧道显微镜的极其尖锐
的金属探针，向材料表面不断逼近，当距离达到一纳米时，施加适当电压，产生隧道电流，这时探针尖端便吸引材料的一个原子过来，然后将探针移至预定位置，去除电压，使原子从探针上脱落。如此反复进行，最后便按设计要求“堆砌”出各种微型构件。整个过程就如同用砖头盖房子一样。如此构造出来的纳米器件具有新的物理特性，非常坚固耐用，同时也非常可靠，振动2000万次，也丝毫不会损坏。
第三是制造微机电系统，纳米技术的核心技术是微机电技术。微机电技术并不是通常意义上的系统小型化，而是制造业原理上的彻底变革。因为当每个部件都小到纳米级以后，往常的宏观参数如体积、重量等都变得微不足道了，而与物体表面相关的因素如表面张力和摩擦力则显得至关重要。近年来，微机电技术获得了实质性突破。科学家们成功地制出了纳米齿轮、纳米弹簧、纳米喷嘴、纳米轴承等微型构件，并在此基础上制成了纳米发动机。同时，微型传感器、微型执行器等也相继制成。这些基础单元再加上电路、接口，就可以组成完整的微机电系统[6-8]。
3 纳米技术的军事应用
从军事需求来分析，可以把军事纳米技术分为以下两种种类型：
第一类是以纳米功能材料和特种材料为基础的军事装备。由于纳米功能材料的种类很多，具有军用价值的功能材料也是多种多样。如吸波材料和防污自洁材料的使用形式大致可以分为：功能表面、烟幕和“隐真示假”材料。特种材料机械性能优良，通过纳米技术赋予材料以高强度、耐高温、抗疲劳等特性，可以达到特殊用途的需求。如纳米陶瓷、纳米复合材料等。
第二类是以纳米电子技术为基础的微型化武器装备，飞机、坦克、制导弹药、卫星、作战机器人、雷达、纳米传感器、纳米阵列激光器等。减小武器装备的体积、重量，增强隐蔽性和灵活性，提高灵敏性和精确性[9]。
3.1 纳米新材料在武器装备中的应用
3.1.1 纳米增强材料
3.1.1.1改进武器装备的材料性能
有些(复合)纳米材料(如金属-陶瓷复合材料等)具有韧度高、质量轻、耐强酸强碱、耐高温等优点，可用于军用舰船、坦克、车辆、航天飞行器等，提高其战斗性、维护性和经济性。
将纳米陶瓷晶粒（如SiC等）引入铝合金中制造出质量轻、强度高、耐热性的新型复合材料，可作为深潜器和深度的壳体。
运用纳米技术在产品中添加特殊性能的材料或在产品表面形成一层特殊的材料，能产生出新的性能。由于碳纳米管的硬度大约是钢的100倍，如果把碳纳米管用于武器制造，可大大提高武器弹头对目标的穿透力和破坏力，也可提高武器装备的防护能力，未来防弹装甲车可能产生使导弹滑落或弹回去的奇迹[10]。
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陶瓷/金属的纳米相材料可用作飞机的高效、微型天线材料。利用纳米SiO2的透明性和对紫外光的吸收特性可作为有机玻璃涂层材料抗紫外辐照。纳米材料的超塑性(高温时可展延成形且保留常温时的各种性能)特别适于导弹前锥部位用材和装甲材料[11]。
3.1.1.2提高武器推进剂和的燃烧效率
纳米材料可用作火箭燃料纳米助燃剂，在火箭燃料中加入不到l％的纳米铝粉，可将燃烧能力提高一倍。利用纳米镍作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可提高100倍。利用碳纳米管来制作储氢材料，可用作汽车及飞行器的燃料“储备箱”。含有20％超微钴颗粒的金
中秋祝福语送客户>鼠标左键不灵属陶瓷的纳米相复合材料是火箭喷口的耐高温材料；用纳米颗粒制成的精细陶瓷，正在试用于陶瓷绝热涡轮复合发动机、陶瓷涡轮机、耐高温、耐腐蚀轴承及滚球等[12-14]。
燃气轮机是喷气式飞机、轮船、发动机组等的动力来源，一个发动机组，如果涡轮进口温度从1000℃提高到1200℃，每发一度电就可节油0.05公斤，相当于原来所需燃料的60％。利用纳米高温陶瓷材料SiC纤维/Si3N4陶瓷制造的涡轮叶片的使用温度甚至可高于1500℃，从而可大大提高热机的热效率[15-16]。
3.1.1.3增强武器平台的信息存储与获取能力
在信息化战争中，电子技术应用与开发，不仅成为现代军事科技、各种军事系统和武器系统研制开发的科技支柱，而且是现代战争中作战指挥、通信网络、后勤保障等诸多决定战争胜负关键因素的依靠和保证。而纳米技术正在MEMS (微机电系统)起步，将对未来电子技术领域产生重大影响。它将传感器、电动机和各碳纳米管种处理器都放在一块芯片上，使计算机的速度和效率提高数百万倍，存储器的存储容量达到数万亿比特，并且将能耗降低到现在的几十万分之一，可以成千倍地提高指挥自动化系统处理战场信息的能力。一旦
研制成功，并应用于军事领域，能够快速、全面、系统地得到信息，立即对敌我双方的情况做出反应，可将传统战场需要较长时问方能完成的作战行动压缩到几分钟．甚至几秒钟之内。使得作战进程几乎与决策同步，这样不仅可以大大增强指挥的稳定性、灵活性和主动性，而且缩小了战场的时空范围。提高了指挥的适时性和有效性，使快速反应能力有了质的飞跃[17]。
3.1.2 纳米防护材料
与传统涂层相比，纳米结构涂层能使强度、韧性、耐腐蚀、耐磨、热障、抗剥蚀、抗氧化和抗热疲劳等性能得到显著改善，且一种涂层可同时具有上述多种性能。某些纳米微粒还有杀菌、阻燃、导电、绝缘等作用，可用这些纳米粒子制成防生物涂料、阻燃涂料、导电涂料和绝缘涂料。将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放， 则可控药剂有希望变为现实。这些技术均可有效解决目前各国海军装备普遍存在的“三漏”问题、舰艇动力推进装置螺旋桨的穴蚀问题以及潜艇、舰艇船体涂料的防污问题等[18]。
普通陶瓷在被用作防护材料时，由于其韧性差，受到弹丸撞击后容易在撞击区出现显微破
坏、垮晶、界面破坏、裂纹扩展等一系列破坏过程，从而降低了陶瓷材料的抗弹性能。纳米陶瓷高活性和耐冲击的性能，可有效提高主战坦克复合装甲的抗弹能力；增强速射武器陶瓷衬管的抗烧蚀性和抗冲击性；由防弹陶瓷外层和碳纳米管复合材料作衬底，可制成坚硬如钢的防弹背心；在离射武器方面如火炮、等，纳米陶瓷可提高其抗烧结冲击能力，延长使用寿命。目前，国外复合装甲已经采用高性能的高弹材料。在未来的战争中，若能把纳米陶瓷用于车辆装甲防护，会具有更好抗弹、抗爆震、抗击穿的能力，提供更为有力的保护[19]。
3.1.3 纳米传感材料
采用微机电系统制作的微型环境传感器散布于武器装备的蒙皮上或外表面，能察觉细微的外界“刺激”，以便对武器系统适时调整。例如，纳米材料制成的飞机上的灵巧蒙皮可根据飞行速度向飞行员提供最佳的飞行数据，并保证飞机的雷达信号特征降低到最小程度。利用纳米材料制造潜艇的蒙皮，可以灵敏地“感觉”到海中水流、水温、水压等极细微地变化，能随时测定潜艇的速度，并及时反馈给中央计算机并使之进行操纵微调，从而将潜艇的信号特征减至最小，大幅度降低噪声，并大大节约能源。此外，还可根据水波的变化提
前“察觉”来袭的敌方。使潜艇及时作出规避动作。另外，纳米材料也可以大幅度减少飞行器在大气中或水中的摩擦力或阻力，使得飞行器可以飞行得更快、更远。如果在上涂上纳米材料，可在海水中行走得更快，有利于迅速打击目标。如果涂在导弹的表面上，导弹能力飞行得更快更远．使导弹能够有准备地追击及拦截敌的导弹和飞行器[20]。
3.1.4 纳米隐身材料
    1991年，美国在海湾战争中首次使用的F117A隐身战斗机，由于机身上包覆了许多种纳米尺度的红外和微波隐身材料，飞机对雷达电磁波有强烈的吸收能力及散射能力，使得雷达及红外探测器均无法探测到飞机的存在。在历时近1个半月的战争中，F117A战斗机执行任务达1270余架次，摧毁了伊拉克95％的重量军事目标，却无一架飞机受损。隐身技术是20世纪军用飞机设计的一项革命性的技术，至今美国已发展到第三代隐身技术，典型的就是F-22“猛禽”隐身战斗机。把隐身外形与飞机的气动外形进行了一体化设计，再加上十分有效的纳米吸波材料和吸波涂层的优化选择及配置，使飞机达到了最佳的隐身效果。
隐身涂料的研究已经成为现代军事对抗的一种手段。该涂料指能有效地吸收入射雷达波并
使其散射衰减的一类功能涂料。在涂料中添加纳米材料，如纳米TiO2，可制成吸波隐身涂料，用于隐形飞机、隐形军舰等国防工业领域及其它需要电磁波屏蔽场所的涂敷。纳米ZnO等金属氧化物是隐身涂料研究的热点。美国投入巨资研制一项顶级绝密技术——纳米雷达吸收涂料。每辆坦克只需花5000多美元，就可获得涂层薄、吸收率高和吸收带宽的隐身涂料，具有极高的军事利用价值。四川大学等单位也开展了Ni等金属超细粉隐身涂料的研究，并已有小规模的应用[21]。

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