基于材料化學(xué)在航天中的應(yīng)用

＊汪洪波 祝媛媛

（湖北大學(xué)知行學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院 湖北 430000）

引言

隨著我國(guó)航空行業(yè)的逐漸發(fā)展，早期引進(jìn)的一些飛機(jī)逐步進(jìn)入老齡化，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的飛行后，結(jié)構(gòu)的完整性受到了極大的影響，不但發(fā)生了損傷現(xiàn)象，有一些還出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，這不僅會(huì)威脅到航空飛機(jī)在運(yùn)行中的安全，甚至?xí)瓜鄳?yīng)的航空公司蒙受極大的經(jīng)濟(jì)損失，所以，研究材料的檢測(cè)與腐蝕性的排除對(duì)于航空企業(yè)有著重要的意義。這些問(wèn)題都與材料化學(xué)密切相關(guān)，可以通過(guò)材料化學(xué)對(duì)航天器所發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行研究，研發(fā)解決的途徑。

1.航空材料的進(jìn)展

人們花在探索飛機(jī)材料上的時(shí)間比火箭飛機(jī)長(zhǎng)得多，對(duì)其發(fā)展過(guò)程的觀察也更加豐富。通過(guò)對(duì)航天材料發(fā)展過(guò)程的了解，我們可以發(fā)現(xiàn)，航天材料的發(fā)展大致取決于以下三個(gè)因素。（1）材料科學(xué)新理論的發(fā)現(xiàn)：鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化原理導(dǎo)致鋁合金變硬。（2）材料加工技術(shù)的進(jìn)步：沒(méi)有技術(shù)的支持，就沒(méi)有進(jìn)步。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)新材料被發(fā)現(xiàn)時(shí)，必須有相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)。比如古代鑄鍛技術(shù)發(fā)展到定向凝固技術(shù)和精鍛技術(shù)，使高性能葉片材料可以在實(shí)踐中得到應(yīng)用；復(fù)合增強(qiáng)纖維層的設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的發(fā)展使其在不同應(yīng)力方向上具有最佳特性，從而使復(fù)合材料“可設(shè)計(jì)”，開(kāi)辟了其應(yīng)用的廣闊前景；熱等靜壓技術(shù)等新型技術(shù)的發(fā)展，基于了新一代的航空零件以更全新優(yōu)質(zhì)的性能。（3）材料性能測(cè)試及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展：如今的材料性能檢測(cè)儀器能夠深入檢測(cè)材料的分子結(jié)構(gòu)，材料力學(xué)性能測(cè)試裝置已經(jīng)能夠模擬飛機(jī)的載荷譜，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也有了極大的進(jìn)步。航空材料性能測(cè)試及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)正在為我們提供詳細(xì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為航空設(shè)備的制造及設(shè)計(jì)提供更實(shí)用的材料性能數(shù)據(jù)，為航空材料的制造及使用提供高效快速的的檢測(cè)方案。

航空材料所使用的大部分零件幾乎都需要在超高溫、超低溫、高真空、強(qiáng)腐蝕等極端條件下運(yùn)行，因此對(duì)航空材料的要求極高，在實(shí)際運(yùn)行中，由于受材料重量和容納空間的限制，航空材料需要在正常情況下以最小的體積和質(zhì)量發(fā)揮同等的功能，有的需要在大氣或外太空長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，因此不能隨時(shí)隨地停止檢查或更換零件設(shè)備，所以航空材料更加需要有較高的可靠性和質(zhì)量保證。

2.航空航天材料所需的性能

(1)具有較高的比強(qiáng)度和剛度

對(duì)飛機(jī)材料的基本需求是：重量輕，強(qiáng)度高，剛性好。減輕飛機(jī)的構(gòu)造重量意味著增加運(yùn)載才能，提升機(jī)動(dòng)性，增加飛行間隔或航程，減少燃料或推進(jìn)劑的耗費(fèi)。因而，強(qiáng)度和剛度是決定航空航天資料力學(xué)性能的重要參數(shù)。同時(shí)，飛機(jī)除了接受靜載荷外，還必須接受起降、發(fā)起機(jī)振動(dòng)、機(jī)動(dòng)飛行和突風(fēng)等引起的交變載荷，所以航空材料是否能耐疲勞也成為科學(xué)家們研究考慮的重點(diǎn)。

(2)優(yōu)良的耐高溫性能

就是說(shuō)航空資料要能接受更高的工作溫度。關(guān)于機(jī)身材料，氣動(dòng)加熱效應(yīng)增加了外表溫度，這就需要構(gòu)造材料具有耐高溫性；關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)材料，需要渦輪盤(pán)和渦輪葉片具有良好高溫耐腐蝕性。

(3)耐老化和耐腐蝕

航空材料需要面臨的另一個(gè)問(wèn)題是腐蝕與老化，航天材料接觸的物質(zhì)，如飛機(jī)燃料、火箭推進(jìn)劑等，大多數(shù)對(duì)金屬和非金屬資料有很強(qiáng)的腐蝕或收縮作用。高分子材料在濕潤(rùn)的環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行而產(chǎn)生的霉菌和太陽(yáng)的照射及風(fēng)雨的腐蝕，會(huì)加速其老化過(guò)程。所以耐腐蝕、耐老化、防霉也是航天材料應(yīng)該具備的特性。

(4)壽命長(zhǎng)，安全性高

作為載人技術(shù)的裝置，這是一個(gè)毋庸置疑的的要素。使用材料，必需要求其安全要素。同時(shí)需要留意的是，在飛機(jī)質(zhì)量不時(shí)減小的同時(shí)，質(zhì)量減小帶來(lái)的安全性降低現(xiàn)象也不容忽視。

(5)成本低

航空飛機(jī)的成本不斷上升，擁有優(yōu)異航空技術(shù)的國(guó)家和地區(qū)對(duì)于航空設(shè)備有更多的要求。其中航空材料在航空產(chǎn)品中所占的成本和價(jià)格非常高，所以材料選擇和低成本研發(fā)是航空材料發(fā)展的重要要求。同時(shí)，許多民航飛機(jī)作為普通人們使用的交通工具，實(shí)現(xiàn)降低成本也是為了便利群眾，實(shí)現(xiàn)以人為本的要求。

3.材料化學(xué)的特性

材料化學(xué)主要是通過(guò)化學(xué)變化加工出多種多樣、形式功能新穎的新材料。材料化學(xué)是一門(mén)從化學(xué)角度研究材料的制備、生產(chǎn)、組成、應(yīng)用和廢棄的新學(xué)科。同時(shí)，材料化學(xué)不僅僅是材料科學(xué)的一個(gè)分支，也是化學(xué)科學(xué)的重要組成部分，具有交叉學(xué)科和邊緣學(xué)科的特點(diǎn)。材料化學(xué)的研究范圍幾乎涵蓋了所有材料領(lǐng)域，其主要的研究范疇是材料在制備、使用過(guò)程中涉及到的化學(xué)過(guò)程、材料性質(zhì)的測(cè)量。

在21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。因此，各種高科技手段不斷推動(dòng)著各行各業(yè)的發(fā)展。其中，材料化學(xué)是極為重要的一門(mén)學(xué)科，可以有效地將材料與信息結(jié)合起來(lái)，更好地利用現(xiàn)有的能源。特別是近些年來(lái)，隨著材料技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，材料化學(xué)也在高科技領(lǐng)域的發(fā)展中起著重要的作用。將材料化學(xué)與航空結(jié)合起來(lái)，是材料化學(xué)成功應(yīng)用的一個(gè)典范。

4.材料化學(xué)的現(xiàn)狀

隨著科技的逐漸進(jìn)步，信息和材料成為了推動(dòng)科技發(fā)展的重要組成部分。新興材料在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中占有著極其重要的地位。對(duì)于工業(yè)水平發(fā)達(dá)的國(guó)家來(lái)說(shuō)，材料的研究和發(fā)展是極為重要的，只有把材料領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)，才可能推動(dòng)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)發(fā)展。材料化學(xué)是二十個(gè)世紀(jì)發(fā)展的新興學(xué)科，當(dāng)前，研究取得了十分不錯(cuò)的效果，同時(shí)也逐步應(yīng)用到各行各業(yè)中，擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?，前景廣闊。

5.材料化學(xué)的研究?jī)?nèi)容

材料化學(xué)主要研究材料質(zhì)變過(guò)程中的物理與化學(xué)現(xiàn)象，具有各方面的理論知識(shí)，主要包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容：（1）以天然的礦物質(zhì)為原料，采用快速燃燒的方法來(lái)制備氮化物等耐火材料，提升燃燒的速度。根據(jù)鋼鐵冶煉的技術(shù)要求，研制多種氮化物和氮氧化物合成的新型耐火材料。（2）利用物理化學(xué)手段來(lái)制備微觀相的試樣。用統(tǒng)計(jì)模型和透射電鏡的研究方法相結(jié)合，研究出材料的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行進(jìn)一步的研究與應(yīng)用。針對(duì)納米技術(shù)，利用物理化學(xué)原理，來(lái)改變其表面的特征，更好的提升材料質(zhì)量。（3）更好的利用稀土材料，具備含有稀土的納米催化劑，在稀土材料的基礎(chǔ)上建造超導(dǎo)材料。

材料化學(xué)是物理化學(xué)的一個(gè)分支，但又與其他學(xué)科的知識(shí)有一定的交叉性?，F(xiàn)代材料化學(xué)集合了多種學(xué)科的知識(shí)，更加強(qiáng)調(diào)與應(yīng)用性，因此更具有前沿學(xué)科的特點(diǎn)，在材料科技中占有重要的地位。隨著高科技的逐漸發(fā)展，各行各業(yè)都開(kāi)始與材料的性能有著緊密的結(jié)合。所有行業(yè)都是依托于材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)展。其中，航天技術(shù)是推動(dòng)我國(guó)科技發(fā)展的重要領(lǐng)域，材料技術(shù)與航天領(lǐng)域也有著極為緊密的結(jié)合，不但參與材料的制備，也對(duì)于后續(xù)航天器的維護(hù)與檢修有著重要的作用。因此，材料化學(xué)在未來(lái)的科技發(fā)展中占有著重要的地位，同時(shí)也具有廣闊的發(fā)展前景。

6.材料化學(xué)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

對(duì)于航空行業(yè)來(lái)說(shuō)，航空材料是行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。機(jī)身的材料和發(fā)動(dòng)機(jī)的材料是整個(gè)航天器中最重要的結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于航班的飛行安全與各方面性能起著重要的作用。航空結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，可靠性高。飛行器作為一個(gè)整體，還需要一些極為精密的材料，這叫對(duì)于材料的發(fā)展提出了更高的要求。在這些高質(zhì)量材料的研發(fā)過(guò)程中，離不開(kāi)材料化學(xué)，不但可以使得所具備出的材料符合標(biāo)準(zhǔn)要求，還可以降低成本，提高航天器的質(zhì)量。

對(duì)于各個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)，航空安全都是極為重要的，因此在登機(jī)前，機(jī)場(chǎng)的安全部門(mén)要對(duì)于乘客所攜帶的隨身行李進(jìn)行嚴(yán)格的檢查。但是，現(xiàn)在一些航空安全系統(tǒng)有許多的漏洞，盡管有一些法規(guī)條例，但是卻沒(méi)有統(tǒng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。因此，提高檢測(cè)的精度與效率是極為重要的，這就需要培養(yǎng)出精通材料和材料使用安全的機(jī)場(chǎng)人才，這也是材料化學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向。

7.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我們可以看出材料化學(xué)的前景是非常廣闊的，將材料化學(xué)應(yīng)用在航空技術(shù)中，不但可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，也可以對(duì)于飛行安全及能源環(huán)保起到一定的作用。由此可見(jiàn)，材料化學(xué)的應(yīng)用范圍極為廣泛，不僅可以應(yīng)用在材料的制備中，還對(duì)于航天器的修復(fù)及維護(hù)有著重要的作用，因此材料化學(xué)有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，并且，?duì)于其他科技行業(yè)也有重要的作用，等待人們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)。