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石墨烯、碳纳米管等纳米技术如何塑造战争的未来

  • 作者:超级管理员
  • 发布时间:2022-08-29 05:37:58
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  石墨烯、碳纳米管等纳米技术如何塑造战争的未来纵观人类历史,技术进步与军事武器的进步密不可分。古往今来,我们可以看到新发明如何彻底改变社会生活水平和战争技术的进步。石器时代、青铜时代和铁器时代导致了木制、石头和金属武器的发展(从弓箭到长矛、斧头、剑、战车和重型攻城武器)。

  随着9世纪中国火药的发明,化学炸药进入了舞台。虽然最初打算用于烟火,但它在世界各地广泛用于小型火器和火炮的开发。

  20世纪初,第一次世界大战成为各种先进战争技术发展的导火索,不仅用于地面战争(长程和近程火炮、坦克、化学武器),而且用于新兴的空军(飞机、直升机)和海军(战船、潜艇)。除了第一批核武器的开发(和使用)之外,这些技术的全面展示出现在第二次世界大战期间。

  20世纪下半叶见证了超级大国苏联和美国之间的月球竞赛,这导致了更强大的导弹的发展。此外,尽管有一系列反对开发和使用此类武器的国际条约,但仍高度重视以 NBC(核、生物、化学)技术的形式开发更具杀伤力的大规模杀伤性武器。这一时期也越来越重视防护技术的发展,例如装甲、伪装和隐身。

  过去二十年纳米技术、生物技术和信息技术的迅速出现和融合,对军事技术的发展产生了巨大的影响。例如:

  纳米技术支持的新型结构材料:高强度、轻质、耐腐蚀和耐热的结构材料(金属、合金、陶瓷、聚合物、复合材料)。

  “智能”设备,包括防护服、盔甲和弹药;改善低可观察性(伪装);感知和减轻来自地雷和化学、生物、放射和核 (CBRN) 战剂的威胁。

  支持生物技术的传感器技术、生物计算、生物工程材料、生物燃料等。还有军事性能增强或伤口稳定和治疗。生物技术应用的阴暗面包括对包括病毒在内的致病材料进行基因改造,以导致大规模灭绝的生物武器。

  信息技术(涉及硬件、算法和软件)已经在监视、通信、数据传输和密码学等几个军事领域带来了革命性的变化。先进的 C4ISR 能力——代表指挥、控制、通信、计算机 (C4) 情报、监视和侦察 (ISR)——通过态势感知、对对手和环境的了解以及缩短感知和响应之间的时间来提供优势。

  将这些技术的各种组件集成到作战行动的军事物联网(IoMT)中,再加上人工智能算法、先进传感器技术和无人机等自主武器,将决定未来战场场景的形状和范围 [1]。

  受纳米技术影响很大的未来战争技术包括隐身、无人驾驶飞行器 (UAV)、精确制导武器,以及小型化、传感器和能量收集技术。下面我们将讨论将受到未来军事技术影响的几个方面:

  自史前时代以来,士兵在任何军队的战争中都是不可或缺的——但他们的技术发生了巨大变化。

  例如,为士兵提供现代通信和监视设备的代价是沉重的(字面上的沉重)。据报道,美国陆军作战人员在阿富汗携带的电池平均重量可达 4.5 公斤——根据战场角色的不同,有些士兵携带 11-13 公斤。考虑到现代步兵将携带重达30-50公斤的装备,减轻这一负担的需求已成为军事研发的紧迫问题。

  在这种情况下,研究人员正在大力开发纳米技术驱动的纺织品,这些纺织品嵌入了用于 CBRN 威胁的纳米传感器元件、绝缘和防水织物,以及轻型子弹和碎片保护。此外,嵌入用于能量收集和存储的光伏、热电或压电纳米材料的纺织品将减少对传统电池的依赖。整合所有这些技术将产生动态、轻便且穿着舒适的战斗服。

  更换目前使用的重型防弹衣(14-15 公斤)是一个研发重点。符合装甲标准的材料不仅应防止子弹穿透,还应具有弹开或偏转子弹的弹性能量。磁性和非磁性陶瓷等各种纳米材料以及碳基体系成为了超轻材料,取代了目前使用的致密陶瓷和钢铁。其中,包括碳纳米管 (CNTs) 和石墨烯在内的碳纳米材料因其属性而对制造超轻防弹衣具有重要意义:

  在凯夫拉尔纤维、Zylon纤维和聚乙烯纤维等聚合物纤维中掺入碳纳米管,可以得到密度低、机械强度高、耐热降解和高能量吸收的复合材料,是轻型防弹衣的正确选择。例如,模拟结果表明,碳纳米管可以在不穿透的情况下拦截子弹,如图1a所示。这与碳纳米管的长度有关,碳纳米管的长度与吸收能呈线b),吸收动能。

  至少六层厚度为600µm的编织纳米管纱线材料应足以吸收冲击区域 320 J 的枪口能量。

  石墨烯的机械性能,测量变形抗力的杨氏模量非常大:1 TPa,甚至优于 CNTs 和金刚石。如图1c所示,理论上,具有蜂窝 2D 结构的石墨烯片可以使子弹像排球一样在网中偏转。

  此外,在600 ms−1 的子弹速度下,多层石墨烯的比穿透能,即对动能穿透的阻力是宏观钢板的约10倍,因此,它是一种比其他任何现有材料更强、更轻的潜力材料。考虑到制造士兵的独立装甲的实际困难,将石墨烯和碳纳米管复合材料放在聚合物基体中,例如聚乙烯,被证明可以提供比目前使用的防弹衣重量轻70%的更强的防弹装甲。

  图1. a) 两端固定、相对高度为0.31时子弹撞击碳纳米管的弹道模拟研究示意图。b)最大吸收能量随纳米管长度的变化 [2];c)石墨烯的机械强度示意图,显示其防弹能力 [3]。

  由于纳米材料具有高表面体积比,因此纳米材料在 CBRN 战剂的探测、保护和净化方面特别有意义。不同几何形状的纳米材料,如棒状、线状、金属氧化物颗粒、碳纳米材料(CNT、石墨烯)、过渡金属硫属化物等二维材料、自组装分子和金属有机框架(MOF)结构等。深入调查以开发用于不同种类的化学和生物(战)剂的传感器。 用于检测来自化学或生物战剂威胁的纳米传感器的主要优势包括其低成本和低功耗,而不会影响其传感响应。典型的纳米化学和生物传感器如下图 2a、b 所示。

  图 2. a) 用于同时检测多种试剂的传感器阵列示意图,即电子鼻的模拟 [4] 和 b) 基于具有介电层界面的氧化石墨烯涂层铜膜的 SPR 传感器芯片 [5] .

  通过从太阳能、废热等可再生能源甚至士兵自身的动能或体热中获取能量,可以在很大程度上减少士兵携带的电池负载。纳米级光伏、热电和压电器件,除了重量很轻之外,正在开发不同的配置,甚至可以嵌入士兵的制服本身。一些例子包括:超薄有机光伏器件:最近,一组日本研究人员已经证明可以基于一种名为 PNTz4T 的新材料制造效率约为 7.9% 的超薄柔性有机光伏器件(图 3a)。与此类光伏器件集成的织物(图 3b)也可清洗 [7]。

  图 3.a) 双面制造的超柔性有机光伏 (OPV) 电池示意图和 b) 嵌入 OPV [7] 的可清洗和可拉伸织物。

  基于纳米材料的热电装置:热电装置用于将热能转换为电能,其基于塞贝克效应。一般来说,热电材料的效率较低。然而,纳米技术的进步导致了可穿戴热电设备的发展,能够将人体热量转化为几微瓦的电能。碲化铋、碳纳米管和石墨烯等纳米材料具有更高的效率,对此类应用具有重要意义。

  电池:目前,锂离子电池具有高能量密度、长寿命和可充电特性,是为包括士兵在内的便携式电子设备供电的首选。将纳米材料用于电极可以在不影响电池性能的情况下减少重量损失。在这种情况下,石墨烯已成为非常有吸引力的阴极材料,可用于制造柔性薄膜阴极,以取代传统的集电器,如铝和铜,而不会影响电子转移效率。此外,嵌入氧化锡纳米粒子作为阳极的石墨烯与集电器一起(图 4)表现出非常高的阳极容量和电化学稳定性。

  图 4. a) 氧化锡纳米颗粒嵌入石墨烯纳米带作为阳极;(b) 可充电轻型锂离子电池及其充电和放电方向的示意图;(c) 纳米LiCoO2阴极[7]。

  模仿变色龙反复改变颜色以融入各种背景的能力(图 5a、b),[8] 长期以来一直是军事伪装研究人员面临的挑战。

  图 5. 变色龙在 (a) 绿色和 (b) 沙漠背景中展示的自然适应性伪装(改编自参考文献 8)。

  自适应伪装是一个非常吸引人的命题,用来欺骗敌人的目标和特征的获取和管理。各种纳米结构材料处于研发阶段,有望实现自适应伪装的目标。在这方面,表现出显色性的纳米材料,即在施加外部刺激时,如光(光致变色)、热(热致变色)、电(电致变色)或磁(磁致变色)的颜色变化,是实现自适应伪装的有力候选材料。

  军队和恐怖组织等已经开始使用无人飞行器——由于体积小而难以被发现——进行地面侦察、监视、在敌对地区投放材料和武器等行动(图 6 ac)[ 10]。

  图 6. a) 艺术家对昆虫类杀人机器人的诠释;b) 类似蚊子的昆虫大小的纳米生物武器;c) 一种由纳米材料制成的微型飞行器,用于监视和运送化学或生物制剂 [10]。

  未来的纳米无人飞行器以及它们通过物联网 (IoT) 技术集成的小型 GPS、天线、飞行控制系统和卫星通信系统,将使它们成为监视行动的有力候选者。无人飞行器技术的进一步发展为实现昆虫大小的飞行器提供了可能性,这些飞行器能够在不被发现的情况下进入建筑物(并安全返回)以执行信息收集或武器部署等功能。这种下一代无人飞行器很可能在城市战场景中发挥主导作用。

  卫星在军事和民用应用中的作用呈指数增长。民用领域包括遥感、电信、直接电视广播和全球定位系统 (GPS)。军事应用包括更准确的信息收集和定位。

  与此同时,由于激光或高能微波等远程定向能武器以及反卫星导弹可能发动的攻击,对卫星的威胁也显著上升。保护卫星可以包括被动对抗措施,比如让卫星更难被瞄准,或者为它们提供抵御攻击的保护。

  保护卫星的一种方法是使用诱饵。现有飞机技术使用的是像镁- viton - teflon (MVT)耀斑这样的热解材料,通过放热反应产生强烈的辐射,由于一些限制,如太空中缺乏氧气,以及长波红外传感器 (LWIR) 设备对目标和诱饵的难以区分,不是一个选择。

  有鉴于此,雷神公司开发了一种使用量子点的对抗措施系统,如图 7 所示,以保护卫星等空间资产免受导弹攻击。不同尺寸和形状的量子点由 InSb、PbTe、HgTe、HgSe、CdTe、CdSe 和 CdS 的纳米颗粒组成,这些量子点被设计成发射辐射,其辐射剖面与资产[11]相似。

  图 7. 对抗系统示意图:反卫星武器寻找的是量子点的诱饵云,而不是目标卫星[11]。

  就针对定向能武器 (DEW) 的防护而言,需要修改卫星表面以偏转定向能武器的辐射。由密集堆积的纳米颗粒(如硅、钨等的氧化物)组成的涂层被认为是一种可能的解决方案。

  与其他战区一样,纳米技术将在海战中发挥关键作用,例如用高强度和轻质材料建造海军舰艇、难以探测的水下和水面平台(潜艇、船、船、航母)、自主发电设备以及纳米防腐和防污涂层。用于海军结构平台、作战系统和舰载功能设备的一些著名纳米材料包括:

  铝和聚合物中的纳米铝合金,用于轻质、高强度、坚固的结构,节省燃料,同时提高速度和机动性。

  高强度和轻质 CNT 复合材料作为自主无人船的结构材料和用于水下船舶的 EMI 屏蔽和声纳诱饵的涂层。

  铝和钛的纳米陶瓷氧化物Al2O3 -TiO2 复合材料在组件上的无裂纹、耐磨和高强度涂层,以增强耐用性,节省成本。

  用于保护海军舰艇免受腐蚀和结垢的纳米材料。腐蚀和生物污垢是船舶表面退化的主要原因,从而导致阻力,从而影响系统的速度和使用寿命。在这种情况下,基于某些纳米材料(如铜)的涂层被认为是船舶防腐和防污涂层的潜在材料[12]。

  网络安全是受保护通信不可或缺的重要组成部分,可能会通过病毒、恶意软件和黑客攻击以多种方式遭到破坏。下一代量子算法和相关硬件也将需要一种用于纠缠信息共享的新架构 [13]。支持纳米技术的硬件可能会导致量子计算硬件和可能的量子密码方案的发展。例如,半导体材料的量子点可以作为纠缠电子的来源,可用于通过不可解码的量子算法传输信息。