航天材料夠迷人

路遙

大家有沒有好奇過，運載火箭、人造衛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，相信大家都有經驗：貼身穿著要選吸汗透氣的棉質衣物；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……選擇什么材質的衣服，主要在于考慮穿著的環境和用途。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的要求。

先讓我們來看一看，航天材料的工作環境有多么“惡劣”——

真空

在地球上制造出來的材料內部和表面都會存在微量的氣體，它們在真空環境下會拼命“往外跑”，讓材料變得脆弱。另外，真空環境還會加速材料升華，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，例如國際空間站面向太陽的一面可以達到約121℃的高溫，而同一時刻背向太陽的一側溫度卻低至零下157℃——是真正的“冰火兩重天”！所以航天材料必須經受住超高溫和超低溫的考驗。

輻射

太空中有非常強烈的輻射，主要是帶電的粒子，會破壞合成材料的結構，加快材料的老化，是航天材料的強敵。

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，更別提火箭升空時的恐怖力量，脆弱的材料會被撕成碎片。

“堅強”的航天材料們除了必須經受住上面幾項嚴苛（ke）的考驗之外，還要具備重量輕、不易變形、性質穩定等特點，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材料學中的概念——合金和復合材料。

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。我們熟悉的不銹鋼、青銅等都屬于合金。

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

知道多一點

我們生活中最常見的復合材料就是鋼筋混凝土。混凝土中加入鋼筋，就能承受更大的拉力和壓力。其中，混凝土是基體材料，鋼筋是增強材料。

下面，就讓我們熱烈歡迎航天材料家族的成員們出場！

大家好，我們是鋁合金家族！我們體重輕、強度高，容易被塑造成各種形狀，經久耐用，而且身價還不高，所以被廣泛用在日常生活的各個領域。大家在生活中也能經常看到我們的身影，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度的鋁鋰（li）合金等。它們經常被應用在飛機、運載火箭、人造衛星和空間探測器上。特別是鋁鋰合金，已在許多航天構件上取代了常規高強鋁合金，成為近來航天工業的新寵。例如“大力神”號運載火箭的有效載荷艙，“奮進號”航天飛機的外燃料貯箱，“天宮一號”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用金屬中最輕的，這也成為家族成員們共同的優點。除此之外，我們具有良好的抗震減噪性能，還有很強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、電子通信等工業領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械裝備零件，以減輕重量，節省發射消耗的燃料，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，我們還經常被用來制作航天器的電子產品機箱。在這里要特別介紹一下家族里一位本領特殊的成員——鎂鋰合金，它是目前世界上最輕的金屬結構材料，輕到可以漂浮在水面上！2016年12月22日我國成功發射的首顆全球二氧化碳監測科學實驗衛星中的高分辨率微納衛星，幾乎整顆應用了這種超輕材料，讓衛星“身輕如燕”。

大家好，我們是鈦（tai）合金家族！我們家族的成員個個都是硬骨頭，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。經受冷熱考驗更是我們的強項，從600℃的高溫到-250℃的低溫，我們都可以長期工作而保持性能不變，就問你服不服！正因為我們將航天產品所需的特質集于一身，人們才授予我們“宇宙金屬”的美譽。早在20世紀50年代，人們剛剛開始探索太空的時候，我們就已經被運用在航天工業中。“阿波羅”宇宙飛船的壓力容器，運載火箭的發動機葉輪和裝燃料的貯（zhu）箱、氣瓶，還有衛星和空間探測器上的高強度零件等都由我們制成。而且，地球上鈦的蘊藏量十分豐富，是僅次于鐵和鋁的第三金屬。相信隨著科技的發展，我們在航天領域還會發揮更大、更重要的作用！

大家好，我們是鋼家族！大家對我們應該最為熟悉，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。其實我們也跟上面幾個家族一樣，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”。在航天工業中常用的是超高強度鋼，它們強度高、韌性好、易塑形，常用于制造火箭發動機殼體。“神舟七號”載人航天飛船的逃逸塔就是用特制的超高強度鋼制成的。

大家好，我們是碳纖維復合材料家族！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，突出特點是十分皮實一一就算跟最強壯的超高強度鋼比，碳纖維的抗拉能力也會強上四五倍，所以鋼在我們面前從來不敢自稱“超高強度”。在家族中，樹脂基體的成員們體重很輕，是人造衛星結構體、太陽能電池板和天線，以及空間站和航天運輸系統上的一些關鍵部件的主要材料，例如“哥倫比亞號”航天飛機的主貨艙門。碳基體的成員們也有過人的本領，它們被稱為“碳/碳復合材料”，重量輕、抗沖擊且隔熱性能好，最重要的是能夠在高達2200℃的溫度下正常工作，簡直就是金剛不壞之身。所以，它們常被用來制作火箭、導彈和航天飛機的頭錐，以及航天器的隔熱層。

大家好，我們是玻璃纖維復合材料家族！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絲狀玻璃，具有高強度、高柔韌性和耐熱性等特點，就是抗彎折的能力差一點。我們家族都是以玻璃纖維為增強材料的復合材料，其中基體材料為合成樹脂的成員最多，它們被稱為玻璃鋼，輕巧又堅固，可耐高達3 800度的瞬時高溫，也不易被腐蝕。在20世紀60年代它們就被運用到航天工業中，美國“北極星”“土星”等大型固體火箭發動機的殼體就是由玻璃鋼制成的。可近些年來碳纖維復合材料家族的后起之秀們個個本領高強，搶了我們不少工作，我們只好轉向建筑、化學化工、汽車及鐵路交通運輸等行業，真是世道艱難啊！

除了上面出場的家族外，還有很多新興材料也在航天工業中嶄露頭角，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、凱夫拉纖維為增強材料的復合材料，非常輕便柔韌。隨著科技的發展，還會有更多本領高強的材料加入航天材料家族，讓我們拭目以待吧！endprint