【复材资讯】太空探索材料取得巨大飞跃

　　美国国家航空航天局（NASA）需要更坚固、更具保护性的材料，以便航天器和宇航服能够应对火星任务的极端条件。为了节省成本，工程师们需要用智能材料制造航天器及其货物，这种材料可以同时处理多任务，不仅重量轻，而且超级耐用，耐温度和辐射，甚至能够根据环境变化做出反应。这就是为什么研究人员正在对新兴材料进行实验，并赋予经过试验和测试的具有新特性的组件。NASA研究中心的化学工程师说：“我们的大部分工作都是把最好的做得更好”。“但我们也有机会创造出从未存在过的东西。”

　　自NASA执行阿波罗任务以来的50年里，材料技术取得了巨大的飞跃。当时，聚合物复合材料行业还处于起步阶段，航天器部件是用轻质铝板、蜂窝结构、塑料和早期复合材料制造的。其中许多材料已被更轻的铝锂合金和碳纤维复合材料所取代用树脂浸渍。美国国家航空航天局现在希望将这些碳纤维复合材料的强度提高三倍。奥德加德说，进入火箭、燃料箱、月球和火星栖息地以及前往火星的地面运载工具的部件可以变得更薄，以减轻重量，从而节省燃料成本。

　　碳纳米管可能就是所期望的答案。纯碳纳米管的缺陷比碳纤维少，因此它们更坚固、更硬。大规模生产高质量的纳米管将是复合材料成功的关键，但所涉及的材料很昂贵。为了降低成本，NASA资助的一个由大学和公司组成的联盟，名为计算设计超强复合材料研究所（US-COMP），正在使用模拟和建模来开发下一代超轻、太空复合材料。US-COMP的碳纳米管复合材料正在接近NASA的目标，其刚度已达到当今航空航天工业中使用的最先进碳纤维复合材料的两倍。

　　经过一系列模拟和测试，US-COMP团队选择了纳米复合的CNT纱线作为复合材料的增强材料，该纱线是通过将数百个CNT捆绑成纤维，然后将其扭曲或编织而成的。现在，研究人员正在使用模拟来分析各种树脂，如环氧树脂、氰酯和聚苯并恶嗪，以寻找合适的材料来补充纳米管纱线。

　　发射过程中产生的巨大振动和声波可能会造成重大损坏，尤其是在结构材料越来越薄、越来越轻的情况下。气凝胶可以吸收振动声能量，以确保有效载荷的安全。气凝胶是由金属或陶瓷等固体材料制成的精细网络。因为空气占据了它们的大部分体积，所以它们是极好的绝缘体。二氧化硅气凝胶已经被用于使火星车上的电池和电子设备免受极端温度的影响。它们发明于20世纪30年代，是通过将二氧化硅与溶剂以产生凝胶，然后去除液体。这一棘手的最后一步可能会破坏脆弱的凝胶结构，研究人员已经开发了新技术，如超临界流体提取和升华，以成功地做到这一点，扩大了化学家可以转化为气凝胶的物质领域。对于载人任务，正在研究由聚酰亚胺制成的气凝胶：聚酰亚胺是一种具有刚性环状结构的聚合物，相邻聚合物链上的氮原子和羰基之间有很强的相互作用。这些性能使聚酰亚胺具有足够的耐热性和化学降解性，可以取代航空航天零件所用的薄膜、粘合剂或泡沫。聚酰亚胺气凝胶可能比二氧化硅气凝胶有更多的用途，因为它们更坚固、更灵活，而且“你真的可以调整骨架来调整化学性能。”实验室测试表明，聚酰亚胺气动凝胶比航天器目前用来减少发射过程中振动的三聚氰胺泡沫更好。“在发射环境中，声音水平为160分贝。”。“我们可以将其降低50分贝。然后可以节省体积。四分之一英寸[0.6厘米]的聚酰亚胺气凝胶的性能与4英寸的三聚氰胺泡沫相同。此外，你可以去除经常用于减振的重橡胶。”

　　随着宇宙飞船向恒星发射火箭，它们还面临着许多其他严峻的条件。以极快的速度飞行会产生灼热的热量。在地球大气层外，太阳在数百摄氏度的温度下烘烤航天器表面。在阴影中，气温骤降至零下数百度。辐射可能对电子设备和宇航员造成危害。还有一些碎片和微流星体需要担心。比一粒沙子还小的微陨石，其传播速度远快于音速，可以在航天器外壳上产生微小的裂缝。在这方面，聚酰亚胺气凝胶也有帮助。这些材料能很好地隔绝极端高温和低温。通过将吸收紫外线的黑色素分子固定在聚合物主链上，并用辐射散射纳米颗粒浸渍材料，NASA的研究人员正在制作薄的辐射保护膜，用于火星栖息地和宇航服。

　　一项新的研究寻找轻质保护的陶瓷碳化硅和氧化铝等坚固的陶瓷来制造隔热罩，还将陶瓷纤维与防弹背心的材料凯夫拉结合起来，制成防护碎片和陨石撞击的隔热罩。11月，该机构测试了一种由碳化硅纤维布制成的充气隔热罩：该隔热罩在将有效载荷安全返回地球时，能够承受接近1450°C的温度。将纳米材料添加到高温陶瓷中，以形成吸收辐射、坚韧灵活的多功能复合材料。例如，在碳氮化硅陶瓷中注入碳纳米管，使材料能够承受1000°C的温度，并且足够灵活，可以弯曲成两半而不会断裂。通过在陶瓷中添加氮化硼纳米管，除了能承受灼热外，还能吸收有害的中子辐射。除了保温材料和极端温度外，如今的航天器还有复杂的热控制系统，通过散热器面板将多余的热量从航天器输送到太空。当载人太空舱在轨道上时，这很有用，但在宇航员冲向火星的漫长滑行阶段，系统会关闭，热量产生最小，环境寒冷。

　　通过在基本配方中添加铌、锆和钯等特种金属制备了形状记忆合金，使其能够在与速度相关的温度下工作。当飞船需要释放一些热量时，它们弯曲的散热器面板会打开。当温度在−18至35°C之间时，散热器面板会自动关闭并再次打开。

　　在太空行走中，一旦登上月球或红色星球，太空服将是人类探险家与恶劣环境之间的唯一选择。出于这个原因，NASA的新型宇航服已经使用了几种先进材料。这套衣服的最外层是由阻燃的Nomex、防水的Gore-Tex和防弹的Kevlar制成的，“但它不是特别好防刺穿”。月球和火星尘埃中微小而尖锐的颗粒可以渗透到编织物的缝隙中。因此，通过将织物浸泡在剪切增稠液中来增强抗穿刺性。这些是载液中纳米颗粒的胶体悬浮液，在冲击下会立即从液体转变为类似固体的状态。

　　新开发的一种最外层新型材料可以承受月球上已知有水冰的阴影陨石坑中−230°C的温度。非织造材料将由聚酰亚胺薄膜制成。气凝胶可以防止弹道撞击，这可以用于栖息地和宇航服材料。为了测试气凝胶，研究人员将材料块放在线毫米宽的钢球对其进行射击，速度从200到1300米/秒不等。Vivod说：“可以把它想象成一层层的空中飞人网，然后从大炮里向它发射。”。她说，气凝胶能够吸收至少20%的冲击能量，即使它们还没有准备好用于太空服，这也是一个开始。

　　对于可以穿越多岩石、多尘的斜坡的地面车辆来说，形状记忆合金可以在无气轮胎中发挥重要作用，因为无气轮胎可以剧烈变形，但可以恢复其原始形状。通过将形状记忆合金制成的金属丝和弹簧联锁成一种特殊的双层图案来制造轮胎。

　　现在考虑一项新兴技术的可扩展性和有效性，以及它可以在哪里应用，永远都不为时尚早。“由于所需的所有测试和认证，关于材料的决定要在发射前很长一段时间才能做出。我们需要能够减少从发现到使用的时间。”有时，“更好”可能是“足够好”的敌人。设计太空任务系统的人不在乎材料是否“酷”；他们关心有效地解决问题，同时考虑到安全、时间和成本。因此，尽管发现很重要，但研究人员也需要在时间和预算限制的情况下脚踏实地。“像碳纳米管和自我修复材料这样的想法听起来很科学。但它们的性能必须满足需求，我们必须说服某人有商业理由。”

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