宇航服、航天飛船和空間設備的“最佳拍檔”

材料牛注：航天行業由于其特殊的工作環境，對材料的性能要求比較高，促進了很多新材料的發展，包括復合材料和高熵合金等，而其研究及應用都十分熱門，對工業行業尤其是航天航空業起著巨大影響，下面是對這些領域中常用材料的簡單介紹。

猜想一下在太空領域中材料所處的位置。比如，你會用什么來制作下一代宇航服？或者說探索其他星球的太空飛船？在此，我們避免談論那些“新”材料，畢竟沒人愿意在不切實際的東西以及看似精巧實則充滿危險的發明上花費太多功夫，所以本次討論的范圍僅限于已被積極運用或者至少是經過測試的材料。

由于不同領域間科學技術的長足發展，特別是在工程制造技術方面，使得可供選擇的材料隨之增多，并因此使我們能更積極地創造新的東西。與此同時，我們也承受著更大的風險，要求對所使用的材料在組成和成分上達到更高的控制水平。

此外，還有一些基本的材料，如比較先進的復合物，由相互獨立的材料分層組成；合金，則是在其本體中融入其他物質后形成的混合物。

陶瓷，一種傳統上被定義為由氧化物、氮化物或碳化物組成的極其硬且脆的材料。雖然陶瓷在較強的沖擊下會被打碎，不耐拉伸或剪切作用，但卻能夠承受很強的壓力。當陶瓷被加熱融化并經噴嘴吹成纖維后，就能被加工成柔軟易彎曲的織物，如陶瓷羊毛、硅地毯和“Flexiramics?”。而且由于這種材料幾乎不可燃燒，所以在軟性沖擊吸收墊物中發揮了很重要的作用。

玻璃陶瓷則是我們更熟悉的材料，如今已被廣泛的用于智能手機上，它的另一個名字是：大猩猩玻璃。這是一種鋁硅酸鹽玻璃，由熔融玻璃在高溫下可溶的陶瓷摻雜劑微粒周圍成核形成。根據康寧公司的說法，當其冷卻時，結晶度在50%-99%范圍內。這種材料除了透明度與玻璃非常相像，其他方面則與玻璃有較大區別。在回火后，拉力與壓力間的平衡使得這種材料異常堅硬。而且玻璃陶瓷作為導電涂層表現優良，工程上利用它的這種特點來使航天器的窗戶免受冷凝水和冰的困擾。

碳纖維展示出其良好的可彎曲性和光澤度。碳纖維材料給飛行器整流罩和航天器降落架提供了極高的拉伸強度，而對重量的影響卻幾乎可以忽略。

材料化學

航天器窗戶是材料科學的重大應用之一。其中一種制造太空窗戶的途徑是使用熔融的100%純二氧化硅。另一種途徑是使用氮氧化鋁，這是一種通常用于制作防彈玻璃的透明材料。在該種材料的制造商特供的視頻中可看到，1.6英寸的氮氧化鋁足以完全抵擋.50cal的穿甲彈。氮氧化鋁和熔融二氧化硅的制作開始于預制好的粉末原料，也稱玻璃料，然后被置入模具中并被加熱至極高溫度以形成單獨一塊透明堅硬材料。由于無法使用100%純凈的原料，摻雜幾乎成了制造中的關鍵問題。摻雜意味著在原始配方中加入微量的特殊物質，以便于得到這種特殊物質的優點而不繼承其在單獨存在時存在的缺點。然而多數情況下，摻雜劑都無法使材料獲得特殊性能。

冶金則與摻雜更加關系密切，合金的概念也因此而來，我們對金屬材料有很多好的處理手段。鋁鈮合金的熔點高到可以忍受Falcon 9火箭引擎噴管中的極熱環境，但這也要歸功于該火箭的冷卻模式：推進劑在噴嘴壁中的空腔中循環流動，冷卻鐘形罩的同時加熱其余的推進劑，并起到熱泵的作用。包括黃銅和黃金在內的合金由于其在極端的溫度及化學環境下耐腐蝕的性能而有著重要的應用。就像Parmesan奶酪中會用到抗結塊劑，合金也會加入硅來改善其熔化狀態下的流動性，使其更易于鑄造一些復雜的構件。

摩擦攪拌焊接，通過物理方法使得兩種材料一同熔化并被焊接成一個結構整體，解決了SpaceX鋁合金部分的連接問題。

在關于半導體的研究中，我們已經有了很多材料化學方面的成就，這之后我們對摻雜的控制足以做到在金剛石網格結構中引入單原子點缺陷。這種精確的加工手段對于“高熵合金”十分關鍵，高熵合金是四到五種，甚至更多元素的混合物，擁有非常高的剛性，可被用來制作更輕薄、更有延展性的物品。雖然硬度和延展性是兩種被認為互相排斥的屬性，但一名來自MIT的冶金學家已經成功制造出同時極高硬度和極佳延展性的類鋼鐵的高熵合金，

當然對摻雜劑的選擇也十分重要。鉭和鎢是堅硬的高密度抗輻射金屬，曾被混入鈦中作為Juno的“防輻射服”。這件防護服會因吸收輻射而逐漸脆化，但因此保護了衛星中精巧的電路和其他貨物。

輻射傷害可以被防護材料所減緩，基本方法是將某些防護材料嵌入裝載物和充能物品之間，尤其是充能物品，通常會導致信號錯誤，腐蝕金屬和造成短路。在地球上通常使用鉛，但鉛并不適合太空航行，因為鉛過于柔軟，無法承受振動負荷，而且密度太大不適合做成粉末。所以Juno的防護服主要是鈦，而且鈦比鋁堅固且比鋼輕。

因為我們的航天器離不開電腦的幫助，所以延長電子元件在太空中的工作時間一直是個重要問題。而當我們制造更小的電子元件和降低其能耗時，物理學限制了這種途徑所能達到的極限程度，而且越接近這個極限，系統就越容易受到擾動。輻射損傷、溫度差異、短路電流乃至物理振動都會對電路造成傷害。電子自旋能為計算提供更多能壘，以大幅加強計算機的性能，并對能給普通電路造成毀滅性破壞的電磁風暴有較好的抗性。但在我們真正實現光電路及電子自旋可控之前，我們仍要想方設法使傳統電路在太空中有更好的性能，而這仍要用到更好的法拉第籠。

復合材料

復合材料的制造比較困難，通常要用到極其特殊的加工設備如巨型高壓釜等。但復合物的性能真的十分優異。

多層絕緣材料擁有優良絕熱性的和電絕緣性，因此而被NASA在幾乎所有地方應用，正是這種物質使得航天器的外表像被覆蓋了一層金箔。同時，這種材料也可被用于對器件整體進行接地導電，只需將箔片中的織物網絡換成金屬網絡即可。

SpaceX在載具建設中用到了剛性復合物材料，這是一種有碳纖維和金屬蜂窩網絡層壓在一起形成的輕便而又堅固的結構。泡沫和氣凝膠也可以做成同樣輕便堅硬的絕熱層狀結構。

Falcon 9回收后整流罩的外貌。注意碳纖維布料與金屬蜂窩形成的三文治結構。

復合物材料能承受得著物理性能考驗，但是剛性材料并不是唯一的選擇。船梁上的可充氣航天模塊，也可以叫做“罐裝橡皮城堡”，是由叫做beta布料的特殊玻璃纖維柔性復合材料制造而成的，這種材料及其類似物早在90年代末就已被NASA及其他組織所應用，因為它從來不會讓人失望。beta布料由有PTFE涂層的玻璃纖維方平組織織物構成，是玻璃纖維和特氟龍的衍生材料。對于這種材料，即使是用最堅硬鋒利的剪刀也不能傷及分毫，而其柔性則可以有效抵抗沖擊，并且難以被腐蝕，就算是在純氧氛圍中也如此。最后，科學家通過激光照射才使得這種材料開始發生降解。

類似beta布料的還有柔性Chromel-R金屬布料，常在宇航服和飛船船身充當抗摩擦部分。Chromel-R就像是beta布料編織的地毯，不同的這種beta布料是由堅固的帶涂層金屬線構成。此外，科學家發現由陶瓷纖維和凱夫拉組成的層狀結構“填充型Whipple防護罩”，在阻止超高速陶瓷顆粒形成方面做的比鋁箔更好。

宇航服是柔性復合材料的最佳應用場所。單獨一種材料不能抵擋所有東西，但是當把幾種有不同抗性的薄層材料疊加在一起形成層狀結構時，就可以得到多重抗性材料，并且仍舊保持良好的可彎曲性能。在SpaceX的新一代宇航服中加入Darlexx，可得到防火宇航服；繼續加入非牛頓型流體緩沖層和陶瓷合金吸傷平板層，則得到一件防火盔甲。然后你要做的便是在頭盔中加入平視顯示功能，或者在座椅里加入一些高密度記憶海綿。上述這些都建立在現今能生產加工的材料基礎之上。

原文鏈接：The best applied materials for space suits, star ships, and electronics in orbit

本文由編輯部張瑩提供素材，梁嘉豪編譯， 點我加入材料人編輯部。

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