航天材料夠迷人

路遙

大家有沒有好奇過，運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星及其他各種各樣的航天器是用什么材料制成的呢？今天我們就來了解各有“神通”的航天材料。

選衣服，相信大家都有經(jīng)驗(yàn)：貼身穿著要選吸汗透氣的棉質(zhì)衣物；下雨要穿防水的雨衣；寒冷的冬天要穿輕便又保溫的羊絨衫和羽絨服……選擇什么材質(zhì)的衣服，主要在于考慮穿著的環(huán)境和用途。航天材料也是如此，選擇材料，要看它們能不能滿足航天活動(dòng)的要求。

先讓我們來看一看，航天材料的工作環(huán)境有多么“惡劣”——

真空

在地球上制造出來的材料內(nèi)部和表面都會(huì)存在微量的氣體，它們?cè)谡婵窄h(huán)境下會(huì)拼命“往外跑”，讓材料變得脆弱。另外，真空環(huán)境還會(huì)加速材料升華，讓它們從固體直接變成氣體，不斷消耗。

溫度

太空中溫度變化非常劇烈，例如國(guó)際空間站面向太陽的一面可以達(dá)到約121℃的高溫，而同一時(shí)刻背向太陽的一側(cè)溫度卻低至零下157℃——是真正的“冰火兩重天”！所以航天材料必須經(jīng)受住超高溫和超低溫的考驗(yàn)。

輻射

太空中有非常強(qiáng)烈的輻射，主要是帶電的粒子，會(huì)破壞合成材料的結(jié)構(gòu)，加快材料的老化，是航天材料的強(qiáng)敵。

速度

航天器圍繞地球飛行的速度一般都在每秒鐘7-8千米，航天材料在這樣的速度下將承受很大的力量，更別提火箭升空時(shí)的恐怖力量，脆弱的材料會(huì)被撕成碎片。

“堅(jiān)強(qiáng)”的航天材料們除了必須經(jīng)受住上面幾項(xiàng)嚴(yán)苛（ke）的考驗(yàn)之外，還要具備重量輕、不易變形、性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，還不能貴得離譜，真是太不容易了！所幸，人們通過不斷的探索，找到了許多符合要求的材料，航天材料家族日漸壯大。在介紹它們之前，還要向大家介紹兩個(gè)材料學(xué)中的概念——合金和復(fù)合材料。

合金是由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬混合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。我們熟悉的不銹鋼、青銅等都屬于合金。

復(fù)合材料是由基體材料和增強(qiáng)材料組成的具有新性能的材料。通過組合，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料，從而能滿足多種不同的要求。

知道多一點(diǎn)

我們生活中最常見的復(fù)合材料就是鋼筋混凝土?；炷林屑尤脘摻?，就能承受更大的拉力和壓力。其中，混凝土是基體材料，鋼筋是增強(qiáng)材料。

下面，就讓我們熱烈歡迎航天材料家族的成員們出場(chǎng)！

大家好，我們是鋁合金家族！我們體重輕、強(qiáng)度高，容易被塑造成各種形狀，經(jīng)久耐用，而且身價(jià)還不高，所以被廣泛用在日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。大家在生活中也能經(jīng)常看到我們的身影，例如鋁合金門窗、易拉罐、筆記本電腦外殼等等。我們家族中出色的成員包括硬度大、耐熱性能好的鋁銅合金；耐腐蝕、適合焊接的鋁鋅合金；還有非常輕巧卻具有高強(qiáng)度的鋁鋰（li）合金等。它們經(jīng)常被應(yīng)用在飛機(jī)、運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星和空間探測(cè)器上。特別是鋁鋰合金，已在許多航天構(gòu)件上取代了常規(guī)高強(qiáng)鋁合金，成為近來航天工業(yè)的新寵。例如“大力神”號(hào)運(yùn)載火箭的有效載荷艙，“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)的外燃料貯箱，“天宮一號(hào)”的資源艙和太陽電池翼等都使用了鋁鋰合金。

大家好，我們是鎂合金家族！我們的主要成分鎂是實(shí)用金屬中最輕的，這也成為家族成員們共同的優(yōu)點(diǎn)。除此之外，我們具有良好的抗震減噪性能，還有很強(qiáng)的電磁屏蔽和抗輻照的能力，外表還高端大氣，怎能讓人不愛！所以，在航空航天、汽車、電子通信等工業(yè)領(lǐng)域中常常都能看到我們的身影。我們常被用來制造航空航天器的重要機(jī)械裝備零件，以減輕重量，節(jié)省發(fā)射消耗的燃料，在先鋒（Vanguard）火箭、丘比特（Jupiter）火箭、大力神Ⅰ（TitanⅠ）火箭上都能找到我們。由于突出的電磁屏蔽和抗輻照能力，我們還經(jīng)常被用來制作航天器的電子產(chǎn)品機(jī)箱。在這里要特別介紹一下家族里一位本領(lǐng)特殊的成員——鎂鋰合金，它是目前世界上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，輕到可以漂浮在水面上！2016年12月22日我國(guó)成功發(fā)射的首顆全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星中的高分辨率微納衛(wèi)星，幾乎整顆應(yīng)用了這種超輕材料，讓衛(wèi)星“身輕如燕”。

大家好，我們是鈦（tai）合金家族！我們家族的成員個(gè)個(gè)都是硬骨頭，即使遇到很大的外力作用也不易斷裂和彎曲，也不容易被腐蝕。經(jīng)受冷熱考驗(yàn)更是我們的強(qiáng)項(xiàng)，從600℃的高溫到-250℃的低溫，我們都可以長(zhǎng)期工作而保持性能不變，就問你服不服！正因?yàn)槲覀儗⒑教飚a(chǎn)品所需的特質(zhì)集于一身，人們才授予我們“宇宙金屬”的美譽(yù)。早在20世紀(jì)50年代，人們剛剛開始探索太空的時(shí)候，我們就已經(jīng)被運(yùn)用在航天工業(yè)中。“阿波羅”宇宙飛船的壓力容器，運(yùn)載火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪和裝燃料的貯（zhu）箱、氣瓶，還有衛(wèi)星和空間探測(cè)器上的高強(qiáng)度零件等都由我們制成。而且，地球上鈦的蘊(yùn)藏量十分豐富，是僅次于鐵和鋁的第三金屬。相信隨著科技的發(fā)展，我們?cè)诤教祛I(lǐng)域還會(huì)發(fā)揮更大、更重要的作用！

大家好，我們是鋼家族！大家對(duì)我們應(yīng)該最為熟悉，畢竟是世界上使用最多的材料之一嘛。別的不說，翻一翻文具盒，總能找到鋼筆、鋼尺、剪刀什么的。其實(shí)我們也跟上面幾個(gè)家族一樣，是一種合金——人們把含碳量在0.02%-2.11%之間的鐵碳合金稱為“鋼”。但除了碳以外，通常還會(huì)在鋼里添加其他元素，如鉻（ge）、錳（meng）、鎳（nie）、釩（fan）等，以獲得不同的“本領(lǐng)”。在航天工業(yè)中常用的是超高強(qiáng)度鋼，它們強(qiáng)度高、韌性好、易塑形，常用于制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體?！吧裰燮咛?hào)”載人航天飛船的逃逸塔就是用特制的超高強(qiáng)度鋼制成的。

大家好，我們是碳纖維復(fù)合材料家族！家族成員分為樹脂基體、金屬基體、陶瓷基體、碳基體等幾大類，都以碳纖維作為增強(qiáng)材料。碳纖維是含碳量在95%以上的新型纖維材料，重量輕、耐腐蝕、耐高溫和低溫，突出特點(diǎn)是十分皮實(shí)一一就算跟最強(qiáng)壯的超高強(qiáng)度鋼比，碳纖維的抗拉能力也會(huì)強(qiáng)上四五倍，所以鋼在我們面前從來不敢自稱“超高強(qiáng)度”。在家族中，樹脂基體的成員們體重很輕，是人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線，以及空間站和航天運(yùn)輸系統(tǒng)上的一些關(guān)鍵部件的主要材料，例如“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)的主貨艙門。碳基體的成員們也有過人的本領(lǐng)，它們被稱為“碳/碳復(fù)合材料”，重量輕、抗沖擊且隔熱性能好，最重要的是能夠在高達(dá)2200℃的溫度下正常工作，簡(jiǎn)直就是金剛不壞之身。所以，它們常被用來制作火箭、導(dǎo)彈和航天飛機(jī)的頭錐，以及航天器的隔熱層。

大家好，我們是玻璃纖維復(fù)合材料家族！玻璃纖維是將玻璃融化成液體后以極快的速度抽拉而成的細(xì)絲狀玻璃，具有高強(qiáng)度、高柔韌性和耐熱性等特點(diǎn)，就是抗彎折的能力差一點(diǎn)。我們家族都是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，其中基體材料為合成樹脂的成員最多，它們被稱為玻璃鋼，輕巧又堅(jiān)固，可耐高達(dá)3 800度的瞬時(shí)高溫，也不易被腐蝕。在20世紀(jì)60年代它們就被運(yùn)用到航天工業(yè)中，美國(guó)“北極星”“土星”等大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體就是由玻璃鋼制成的?？山┠陙硖祭w維復(fù)合材料家族的后起之秀們個(gè)個(gè)本領(lǐng)高強(qiáng)，搶了我們不少工作，我們只好轉(zhuǎn)向建筑、化學(xué)化工、汽車及鐵路交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)，真是世道艱難??！

除了上面出場(chǎng)的家族外，還有很多新興材料也在航天工業(yè)中嶄露頭角，例如含有鎳、鋯（gao）、鉬（mu）等金屬元素的合金，能夠在高溫下工作；以硼（peng）纖維、凱夫拉纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，非常輕便柔韌。隨著科技的發(fā)展，還會(huì)有更多本領(lǐng)高強(qiáng)的材料加入航天材料家族，讓我們拭目以待吧！endprint