納米陶瓷微珠材料在太空服中應用探討

孟東升

摘要：隨著我國載人航天事業的發展，未來的宇航員出倉活動會越來越多，航天服是保障航天員生命活動和工作能力的個人密閉裝備，可以說是一個小型航天器，可防護空間的真空、高低溫、輻射和微流星等環境因素對人體的危害。航天服分六層：由特殊防靜電處理過的棉布織成的舒適層、橡膠質地的備份氣密層、復合關節結構組成的主氣密層、滌綸面料的限制層、通過熱反射來實現隔熱的隔熱層、最外面的外防護層。軀干達到7層，最厚的是掛包有20層。做為最外的防護層是重中之重，要求耐高溫、防磨損力強，防熱輻射等。以美國艙外航天服為例，最外層采用耐極端溫度的特氟瓏、凱夫拉、和諾梅克斯的三維立體正交織物，這層材料不但極為結實，而且可以長期曝露在極端溫度中仍然安然無恙。這幾年隨著新材料的出現，外層航天服材料有了更新的創新空間，納米陶瓷微珠材料絕熱性能好、熱穩定性好、化學穩定性好、既耐磨又耐碰撞，對空間各種射線有良好的屏蔽作用，做為一種新材料如何在太空服上使用，我們做一下探討。

航天服是航天出艙活動生存和執行任務的基本裝備，如果沒有航天服走出飛船，那么因為缺氧你會在15秒甚至更短時間內昏迷，因為外部氣壓很小或者為零，你的血液和體液可能沸騰，然后凍結。在太空陽光下溫度在120℃甚至更高，在陰影下迅速降至-100℃，宇宙中還有各種類型射線，太陽輻射帶電粒子和高速移動微小塵埃、微流星體。航天服隔熱層要求防火、防輻射、防宇宙射線對人體的危害，大部分外層是五層鍍鋁織物（如芳綸纖維或者聚酰亞胺薄膜），熱防護系統是艙外航天服的重要功能組成，⑴隨著國內外載人航天領域的不斷拓展 ，與航天服熱防護相關的技術也在不斷發展。在我國完成的出艙活動任務及當前國際空間站出艙活動任務中，所使用航天服的熱防護技術主要是針對近地軌道熱環境（Low Earth Orbit，LEO）的設計應用，而面向月球、火星的探索以及未來深空探測將需要研制新型航天服和發展更加完善的熱防護技術。納米陶瓷能夠有效阻止熱傳導，對流傳熱和輻射傳熱這三種熱量傳遞方式，所謂納米陶瓷，是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上，具有優良的力學性能和光學性能，納米陶瓷在力學性能方面，包括納米陶瓷材料的硬度，斷裂韌度和低溫延展性等。納米級陶瓷復合材料的力學性能，特別在高溫下硬度、強度得以較大的提高。有關研究表明，納米陶瓷具有在較低溫度下燒結就能達到致密化的優越性。通常硬化處理使材料變脆，造成斷裂韌度的降低，而就納米晶而言，硬化和韌化由孔隙的消除來形成，這樣就增加了材料的整體強度。因此，如果陶瓷材料以納米晶的形式出現，可觀察到通常為脆性的陶瓷可變成延展性的，在室溫下就允許有大的彈性形變。納米級陶瓷微珠可以做為太空面料的外層噴涂，陶瓷微珠具有很高的耐熱性，可在1200℃下長期使用，它的質量很小，熱噴涂納米陶瓷涂層具有優異的耐磨、防腐、隔熱等性能。納米陶瓷微珠的噴涂基層應該是碳纖維面料等牢固性好功能面料，⑵纖維基層方面NASA進行大量候選隔熱材料研究，包括多孔材料 、相變材料等多種類型。初步的實驗研究結果，從隔熱效果 、材料柔性 、力學強度 、厚度 、質量 、以及工業技術成熟性等多方面，評估了材料在航天服隔熱應用中的優劣性，認為纖維類材料綜合性能突出，因此初期的研究主要聚焦在纖維類材料上，最早使用芳綸無紡織物，該織物具有較低的熱導率。在復合纖維織物熱噴涂納米陶瓷中，為減小紡織基體與陶瓷涂層的應力梯度，噴涂陶瓷涂層過程中通常先在基體表面制備一層粘結層。氣凝膠材料不論在高真空或者低真空下，能較好的滿足作為服裝隔熱性能要求的粘結層⑶目前最常見的氣凝膠為無機硅氣凝膠 ，硅氣凝膠是一種以直徑為 1～10 nm的小硅粒子，通過連接形成的高度多孔的網狀結構小孔，大小直徑約為 20 nm。氣凝膠小孔或真空空隙占總體積 的90%或更多 ，氣凝膠的結構特點決定了其低密度和低傳熱特性。最近國內新研制的高溫陶瓷氣凝膠，這種陶瓷氣凝膠具有優異的隔熱、耐火、抗氧化（空氣中可耐受2小時900℃的高溫）和耐高溫性，具有良好的柔韌性，可以做為優良的粘結層使用。由于納米陶瓷微珠的熱膨脹系數、彈性模量、晶體結構等與復合碳纖維粘結層的差異較大，因此粘結層與陶瓷層的界面力學性能直接決定了整個材料性能，柔性纖維噴涂納米陶瓷微珠加氣凝膠合成織物材料，還需要得到材料機械性能 、疲勞性能等實驗測試結果的驗證，對其組成結構不斷優化，解決材料與服裝整合以及材料粉塵密封的問題使其更加輕薄 、柔軟，減少對活動的阻礙，未來空間多目的地探測，新一代航天服應具備良好的防護性能和高效的活動能力 ，同時也將是輕質 、安全 、可靠的系統 。對服裝隔熱設計提出了更為復雜的系統性要求 ：一方面服裝 的防護性能和活動工效要兼顧;另一方面，由于隔熱層通常整合需要同時具備較強的綜合防護能力 ，軌道出艙時的微流星和輻射防護 ，月面和火星探測時的暈塵防護 ，以及接觸物體時的切割 、穿刺等機械防護 。因此需探索不同材料的組合應用方法 ，在真空環境中成熟可靠的隔熱性能 ，復合纖維材料在空間環境中的牢固性 、耐久性 、穩定性，以及研發適用于未來先進航天服的柔性防護材料，熱噴涂粘結層與陶瓷層界面研究是現階段未來的發展方向。

參考文獻

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