美國國家航空航天局（NASA）需要更堅(jiān)固、更具保護(hù)性的材料，以便航天器和宇航服能夠應(yīng)對(duì)火星任務(wù)的極端條件。為了節(jié)省成本，工程師們需要用智能材料制造航天器及其貨物，這種材料可以同時(shí)處理多任務(wù)，不僅重量輕，而且超級(jí)耐用，耐溫度和輻射，甚至能夠根據(jù)環(huán)境變化做出反應(yīng)。這就是為什么研究人員正在對(duì)新興材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并賦予經(jīng)過試驗(yàn)和測試的具有新特性的組件。NASA研究中心的化學(xué)工程師Stephanie Vivod說：“我們的大部分工作都是把最好的做得更好。”。“但我們也有機(jī)會(huì)創(chuàng)造出從未存在過的東西?！?/p>

自NASA執(zhí)行阿波羅任務(wù)以來的50年里，材料技術(shù)取得了巨大的飛躍。當(dāng)時(shí)，聚合物復(fù)合材料行業(yè)還處于起步階段，航天器部件是用輕質(zhì)鋁板、蜂窩結(jié)構(gòu)、塑料和早期復(fù)合材料制造的。其中許多材料已被更輕的鋁鋰合金和碳纖維復(fù)合材料所取代用樹脂浸漬。美國國家航空航天局現(xiàn)在希望將這些碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度提高三倍。奧德加德說，進(jìn)入火箭、燃料箱、月球和火星棲息地以及前往火星的地面運(yùn)載工具的部件可以變得更薄，以減輕重量，從而節(jié)省燃料成本。
碳納米管可能就是所期望的答案。純碳納米管的缺陷比碳纖維少，因此它們更堅(jiān)固、更硬。Odegard說，大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的納米管將是復(fù)合材料成功的關(guān)鍵，但所涉及的材料很昂貴。為了降低成本，NASA資助的一個(gè)由大學(xué)和公司組成的聯(lián)盟，名為計(jì)算設(shè)計(jì)超強(qiáng)復(fù)合材料研究所（US-COMP），正在使用模擬和建模來開發(fā)下一代超輕、太空復(fù)合材料。US-COMP的碳納米管復(fù)合材料正在接近NASA的目標(biāo)，其剛度已達(dá)到當(dāng)今航空航天工業(yè)中使用的最先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的兩倍。
經(jīng)過一系列模擬和測試，US-COMP團(tuán)隊(duì)選擇了納米復(fù)合的CNT紗線作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，該紗線是通過將數(shù)百個(gè)CNT捆綁成纖維，然后將其扭曲或編織而成的?，F(xiàn)在，研究人員正在使用模擬來分析各種樹脂，如環(huán)氧樹脂、氰酯和聚苯并惡嗪，以尋找合適的材料來補(bǔ)充納米管紗線。
發(fā)射過程的材料
發(fā)射過程中產(chǎn)生的巨大振動(dòng)和聲波可能會(huì)造成重大損壞，尤其是在結(jié)構(gòu)材料越來越薄、越來越輕的情況下。氣凝膠可以吸收振動(dòng)聲能量，以確保有效載荷的安全。氣凝膠是由金屬或陶瓷等固體材料制成的精細(xì)網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)榭諝庹紦?jù)了它們的大部分體積，所以它們是極好的絕緣體。二氧化硅氣凝膠已經(jīng)被用于使火星車上的電池和電子設(shè)備免受極端溫度的影響。它們發(fā)明于20世紀(jì)30年代，是通過將二氧化硅與溶劑以產(chǎn)生凝膠，然后去除液體。這一棘手的最后一步可能會(huì)破壞脆弱的凝膠結(jié)構(gòu)，研究人員已經(jīng)開發(fā)了新技術(shù)，如超臨界流體提取和升華，以成功地做到這一點(diǎn)，擴(kuò)大了化學(xué)家可以轉(zhuǎn)化為氣凝膠的物質(zhì)領(lǐng)域。對(duì)于載人任務(wù)，正在研究由聚酰亞胺制成的氣凝膠：聚酰亞胺是一種具有剛性環(huán)狀結(jié)構(gòu)的聚合物，相鄰聚合物鏈上的氮原子和羰基之間有很強(qiáng)的相互作用。這些性能使聚酰亞胺具有足夠的耐熱性和化學(xué)降解性，可以取代航空航天零件所用的薄膜、粘合劑或泡沫。聚酰亞胺氣凝膠可能比二氧化硅氣凝膠有更多的用途，因?yàn)樗鼈兏鼒?jiān)固、更靈活，而且“你真的可以調(diào)整骨架來調(diào)整化學(xué)性能。”實(shí)驗(yàn)室測試表明，聚酰亞胺氣動(dòng)凝膠比航天器目前用來減少發(fā)射過程中振動(dòng)的三聚氰胺泡沫更好。Vivod表示：“在發(fā)射環(huán)境中，聲音水平為160分貝。”?！拔覀兛梢詫⑵浣档?0分貝。然后可以節(jié)省體積。四分之一英寸[0.6厘米]的聚酰亞胺氣凝膠的性能與4英寸的三聚氰胺泡沫相同。此外，你可以去除經(jīng)常用于減振的重橡膠。”
飛行過程的材料
隨著宇宙飛船向恒星發(fā)射火箭，它們還面臨著許多其他嚴(yán)峻的條件。以極快的速度飛行會(huì)產(chǎn)生灼熱的熱量。在地球大氣層外，太陽在數(shù)百攝氏度的溫度下烘烤航天器表面。在陰影中，氣溫驟降至零下數(shù)百度。輻射可能對(duì)電子設(shè)備和宇航員造成危害。還有一些碎片和微流星體需要擔(dān)心。比一粒沙子還小的微隕石，其傳播速度遠(yuǎn)快于音速，可以在航天器外殼上產(chǎn)生微小的裂縫。在這方面，聚酰亞胺氣凝膠也有幫助。這些材料能很好地隔絕極端高溫和低溫。通過將吸收紫外線的黑色素分子固定在聚合物主鏈上，并用輻射散射納米顆粒浸漬材料，NASA的研究人員正在制作薄的輻射保護(hù)膜，用于火星棲息地和宇航服。

一項(xiàng)新的研究尋找輕質(zhì)保護(hù)的陶瓷碳化硅和氧化鋁等堅(jiān)固的陶瓷來制造隔熱罩，還將陶瓷纖維與防彈背心的材料凱夫拉結(jié)合起來，制成防護(hù)碎片和隕石撞擊的隔熱罩。11月，該機(jī)構(gòu)測試了一種由碳化硅纖維布制成的充氣隔熱罩：該隔熱罩在將有效載荷安全返回地球時(shí)，能夠承受接近1450°C的溫度。將納米材料添加到高溫陶瓷中，以形成吸收輻射、堅(jiān)韌靈活的多功能復(fù)合材料。例如，在碳氮化硅陶瓷中注入碳納米管，使材料能夠承受1000°C的溫度，并且足夠靈活，可以彎曲成兩半而不會(huì)斷裂。通過在陶瓷中添加氮化硼納米管，除了能承受灼熱外，還能吸收有害的中子輻射。除了保溫材料和極端溫度外，如今的航天器還有復(fù)雜的熱控制系統(tǒng)，通過散熱器面板將多余的熱量從航天器輸送到太空。當(dāng)載人太空艙在軌道上時(shí)，這很有用，但在宇航員沖向火星的漫長滑行階段，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉，熱量產(chǎn)生最小，環(huán)境寒冷。
通過在基本配方中添加鈮、鋯和鈀等特種金屬制備了形狀記憶合金，使其能夠在與速度相關(guān)的溫度下工作。當(dāng)飛船需要釋放一些熱量時(shí)，它們彎曲的散熱器面板會(huì)打開。當(dāng)溫度在?18至35°C之間時(shí)，散熱器面板會(huì)自動(dòng)關(guān)閉并再次打開。
太空探索需要的材料
在太空行走中，一旦登上月球或紅色星球，太空服將是人類探險(xiǎn)家與惡劣環(huán)境之間的唯一選擇。出于這個(gè)原因，NASA的新型宇航服已經(jīng)使用了幾種先進(jìn)材料。這套衣服的最外層是由阻燃的Nomex、防水的Gore-Tex和防彈的Kevlar制成的，“但它不是特別好防刺穿”。月球和火星塵埃中微小而尖銳的顆?？梢詽B透到編織物的縫隙中。因此，通過將織物浸泡在剪切增稠液中來增強(qiáng)抗穿刺性。這些是載液中納米顆粒的膠體懸浮液，在沖擊下會(huì)立即從液體轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃乒腆w的狀態(tài)。
新開發(fā)的一種最外層新型材料可以承受月球上已知有水冰的陰影隕石坑中?230°C的溫度。非織造材料將由聚酰亞胺薄膜制成。氣凝膠可以防止彈道撞擊，這可以用于棲息地和宇航服材料。為了測試氣凝膠，研究人員將材料塊放在真空室中，并用3毫米寬的鋼球?qū)ζ溥M(jìn)行射擊，速度從200到1300米/秒不等。Vivod說：“可以把它想象成一層層的空中飛人網(wǎng)，然后從大炮里向它發(fā)射?！?。她說，氣凝膠能夠吸收至少20%的沖擊能量，即使它們還沒有準(zhǔn)備好用于太空服，這也是一個(gè)開始。
對(duì)于可以穿越多巖石、多塵的斜坡的地面車輛來說，形狀記憶合金可以在無氣輪胎中發(fā)揮重要作用，因?yàn)闊o氣輪胎可以劇烈變形，但可以恢復(fù)其原始形狀。通過將形狀記憶合金制成的金屬絲和彈簧聯(lián)鎖成一種特殊的雙層圖案來制造輪胎。

現(xiàn)在考慮一項(xiàng)新興技術(shù)的可擴(kuò)展性和有效性，以及它可以在哪里應(yīng)用，永遠(yuǎn)都不為時(shí)尚早?！坝捎谒璧乃袦y試和認(rèn)證，關(guān)于材料的決定要在發(fā)射前很長一段時(shí)間才能做出。我們需要能夠減少從發(fā)現(xiàn)到使用的時(shí)間?！庇袝r(shí)，“更好”可能是“足夠好”的敵人。設(shè)計(jì)太空任務(wù)系統(tǒng)的人不在乎材料是否“酷”；他們關(guān)心有效地解決問題，同時(shí)考慮到安全、時(shí)間和成本。因此，盡管發(fā)現(xiàn)很重要，但研究人員也需要在時(shí)間和預(yù)算限制的情況下腳踏實(shí)地?！跋裉技{米管和自我修復(fù)材料這樣的想法聽起來很科學(xué)。但它們的性能必須滿足需求，我們必須說服某人有商業(yè)理由?！保▉碓矗簭?fù)材邦）

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