宇航服、航天飞船和空间设备的“最佳拍档”

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本文转载自微信公众号材料牛

材料牛注：
航天行业由于其特殊的工作环境，对材料的性能要求比较高，促进了很多新材料的发展，包括复合材料和高熵合金等，而其研究及应用都十分热门，对工业行业尤其是航天航空业起着巨大影响，下面是对这些领域中常用材料的简单介绍。

猜想一下在太空领域中材料所处的位置。比如，你会用什么来制作下一代宇航服？或者说探索其他星球的太空飞船？在此，我们避免谈论那些“新”材料，毕竟没人愿意在不切实际的东西以及看似精巧实则充满危险的发明上花费太多功夫，所以本次讨论的范围仅限于已被积极运用或者至少是经过测试的材料。

由于不同领域间科学技术的长足发展，特别是在工程制造技术方面，使得可供选择的材料随之增多，并因此使我们能更积极地创造新的东西。与此同时，我们也承受着更大的风险，要求对所使用的材料在组成和成分上达到更高的控制水平。

此外，还有一些基本的材料，如比较先进的复合物，由相互独立的材料分层组成；合金，则是在其本体中融入其他物质后形成的混合物。

陶瓷，一种传统上被定义为由氧化物、氮化物或碳化物组成的极其硬且脆的材料。虽然陶瓷在较强的冲击下会被打碎，不耐拉伸或剪切作用，但却能够承受很强的压力。当陶瓷被加热融化并经喷嘴吹成纤维后，就能被加工成柔软易弯曲的织物，如陶瓷羊毛、硅地毯和“Flexiramics®”。而且由于这种材料几乎不可燃烧，所以在软性冲击吸收垫物中发挥了很重要的作用。

玻璃陶瓷则是我们更熟悉的材料，如今已被广泛的用于智能手机上，它的另一个名字是：大猩猩玻璃。这是一种铝硅酸盐玻璃，由熔融玻璃在高温下可溶的陶瓷掺杂剂微粒周围成核形成。根据康宁公司的说法，当其冷却时，结晶度在50%-99%范围内。这种材料除了透明度与玻璃非常相像，其他方面则与玻璃有较大区别。在回火后，拉力与压力间的平衡使得这种材料异常坚硬。而且玻璃陶瓷作为导电涂层表现优良，工程上利用它的这种特点来使航天器的窗户免受冷凝水和冰的困扰。



碳纤维展示出其良好的可弯曲性和光泽度。碳纤维材料给飞行器整流罩和航天器降落架提供了极高的拉伸强度，而对重量的影响却几乎可以忽略。

材料化学

航天器窗户是材料科学的重大应用之一。其中一种制造太空窗户的途径是使用熔融的100%纯二氧化硅。另一种途径是使用氮氧化铝，这是一种通常用于制作防弹玻璃的透明材料。在该种材料的制造商特供的视频中可看到，1.6英寸的氮氧化铝足以完全抵挡.50cal的穿甲弹。氮氧化铝和熔融二氧化硅的制作开始于预制好的粉末原料，也称玻璃料，然后被置入模具中并被加热至极高温度以形成单独一块透明坚硬材料。由于无法使用100%纯净的原料，掺杂几乎成了制造中的关键问题。掺杂意味着在原始配方中加入微量的特殊物质，以便于得到这种特殊物质的优点而不继承其在单独存在时存在的缺点。然而多数情况下，掺杂剂都无法使材料获得特殊性能。

冶金则与掺杂更加关系密切，合金的概念也因此而来，我们对金属材料有很多好的处理手段。铝铌合金的熔点高到可以忍受Falcon 9火箭引擎喷管中的极热环境，但这也要归功于该火箭的冷却模式：推进剂在喷嘴壁中的空腔中循环流动，冷却钟形罩的同时加热其余的推进剂，并起到热泵的作用。包括黄铜和黄金在内的合金由于其在极端的温度及化学环境下耐腐蚀的性能而有着重要的应用。就像Parmesan奶酪中会用到抗结块剂，合金也会加入硅来改善其熔化状态下的流动性，使其更易于铸造一些复杂的构件。

摩擦搅拌焊接，通过物理方法使得两种材料一同熔化并被焊接成一个结构整体，解决了SpaceX铝合金部分的连接问题。

在关于半导体的研究中，我们已经有了很多材料化学方面的成就，这之后我们对掺杂的控制足以做到在金刚石网格结构中引入单原子点缺陷。这种精确的加工手段对于“高熵合金”十分关键，高熵合金是四到五种，甚至更多元素的混合物，拥有非常高的刚性，可被用来制作更轻薄、更有延展性的物品。虽然硬度和延展性是两种被认为互相排斥的属性，但一名来自MIT的冶金学家已经成功制造出同时极高硬度和极佳延展性的类钢铁的高熵合金。

当然对掺杂剂的选择也十分重要。钽和钨是坚硬的高密度抗辐射金属，曾被混入钛中作为Juno的“防辐射服”。这件防护服会因吸收辐射而逐渐脆化，但因此保护了卫星中精巧的电路和其他货物。

辐射伤害可以被防护材料所减缓，基本方法是将某些防护材料嵌入装载物和充能物品之间，尤其是充能物品，通常会导致信号错误，腐蚀金属和造成短路。在地球上通常使用铅，但铅并不适合太空航行，因为铅过于柔软，无法承受振动负荷，而且密度太大不适合做成粉末。所以Juno的防护服主要是钛，而且钛比铝坚固且比钢轻。

因为我们的航天器离不开电脑的帮助，所以延长电子元件在太空中的工作时间一直是个重要问题。而当我们制造更小的电子元件和降低其能耗时，物理学限制了这种途径所能达到的极限程度，而且越接近这个极限，系统就越容易受到扰动。辐射损伤、温度差异、短路电流乃至物理振动都会对电路造成伤害。电子自旋能为计算提供更多能垒，以大幅加强计算机的性能，并对能给普通电路造成毁灭性破坏的电磁风暴有较好的抗性。但在我们真正实现光电路及电子自旋可控之前，我们仍要想方设法使传统电路在太空中有更好的性能，而这仍要用到更好的法拉第笼。

复合材料

复合材料的制造比较困难，通常要用到极其特殊的加工设备如巨型高压釜等。但复合物的性能真的十分优异。

多层绝缘材料拥有优良绝热性的和电绝缘性，因此而被NASA在几乎所有地方应用，正是这种物质使得航天器的外表像被覆盖了一层金箔。同时，这种材料也可被用于对器件整体进行接地导电，只需将箔片中的织物网络换成金属网络即可。

SpaceX在载具建设中用到了刚性复合物材料，这是一种有碳纤维和金属蜂窝网络层压在一起形成的轻便而又坚固的结构。泡沫和气凝胶也可以做成同样轻便坚硬的绝热层状结构。

Falcon 9回收后整流罩的外貌。注意碳纤维布料与金属蜂窝形成的三文治结构。

复合物材料能承受得著物理性能考验，但是刚性材料并不是唯一的选择。船梁上的可充气航天模块，也可以叫做“罐装橡皮城堡”，是由叫做beta布料的特殊玻璃纤维柔性复合材料制造而成的，这种材料及其类似物早在90年代末就已被NASA及其他组织所应用，因为它从来不会让人失望。beta布料由有PTFE涂层的玻璃纤维方平组织织物构成，是玻璃纤维和特氟龙的衍生材料。对于这种材料，即使是用最坚硬锋利的剪刀也不能伤及分毫，而其柔性则可以有效抵抗冲击，并且难以被腐蚀，就算是在纯氧氛围中也如此。最后，科学家通过激光照射才使得这种材料开始发生降解。

类似beta布料的还有柔性Chromel-R金属布料，常在宇航服和飞船船身充当抗摩擦部分。Chromel-R就像是beta布料编织的地毯，不同的这种beta布料是由坚固的带涂层金属线构成。此外，科学家发现由陶瓷纤维和凯夫拉组成的层状结构“填充型Whipple防护罩”，在阻止超高速陶瓷颗粒形成方面做的比铝箔更好。

宇航服是柔性复合材料的最佳应用场所。单独一种材料不能抵挡所有东西，但是当把几种有不同抗性的薄层材料叠加在一起形成层状结构时，就可以得到多重抗性材料，并且仍旧保持良好的可弯曲性能。在SpaceX的新一代宇航服中加入Darlexx，可得到防火宇航服；继续加入非牛顿型流体缓冲层和陶瓷合金吸伤平板层，则得到一件防火盔甲。然后你要做的便是在头盔中加入平视显示功能，或者在座椅里加入一些高密度记忆海绵。上述这些都建立在现今能生产加工的材料基础之上。

原文链接：The best applied materials for space suits, star ships, and electronics in orbit（见下方“阅读原文”）

本文由编辑部张莹提供素材，梁嘉豪编译， 点击下方“阅读原文”进入材料牛报名加入编辑部。

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