納米陶瓷微珠材料在太空服中應(yīng)用探討

孟東升

摘要：隨著我國載人航天事業(yè)的發(fā)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(hù)空間的真空、高低溫、輻射和微流星等環(huán)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(zhì)地的備份氣密層、復(fù)合關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)組成的主氣密層、滌綸面料的限制層、通過熱反射來實現(xiàn)隔熱的隔熱層、最外面的外防護(hù)層。軀干達(dá)到7層，最厚的是掛包有20層。做為最外的防護(hù)層是重中之重，要求耐高溫、防磨損力強(qiáng)，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(jié)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(xiàn)，外層航天服材料有了更新的創(chuàng)新空間，納米陶瓷微珠材料絕熱性能好、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)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(zhí)行任務(wù)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(nèi)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(jié)。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(hù)系統(tǒng)是艙外航天服的重要功能組成，⑴隨著國內(nèi)外載人航天領(lǐng)域的不斷拓展 ，與航天服熱防護(hù)相關(guān)的技術(shù)也在不斷發(fā)展。在我國完成的出艙活動任務(wù)及當(dāng)前國際空間站出艙活動任務(wù)中，所使用航天服的熱防護(hù)技術(shù)主要是針對近地軌道熱環(huán)境（Low Earth Orbit，LEO）的設(shè)計應(yīng)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(fā)展更加完善的熱防護(hù)技術(shù)。納米陶瓷能夠有效阻止熱傳導(dǎo)，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(jié)構(gòu)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(yōu)良的力學(xué)性能和光學(xué)性能，納米陶瓷在力學(xué)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(fù)合材料的力學(xué)性能，特別在高溫下硬度、強(qiáng)度得以較大的提高。有關(guān)研究表明，納米陶瓷具有在較低溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的優(yōu)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(qiáng)度。因此，如果陶瓷材料以納米晶的形式出現(xiàn)，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(zhì)量很小，熱噴涂納米陶瓷涂層具有優(yōu)異的耐磨、防腐、隔熱等性能。納米陶瓷微珠的噴涂基層應(yīng)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(jìn)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(jié)果，從隔熱效果 、材料柔性 、力學(xué)強(qiáng)度 、厚度 、質(zhì)量 、以及工業(yè)技術(shù)成熟性等多方面，評估了材料在航天服隔熱應(yīng)用中的優(yōu)劣性，認(rèn)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(dǎo)率。在復(fù)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(yīng)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(jié)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(jié)層⑶目前最常見的氣凝膠為無機(jī)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特點決定了其低密度和低傳熱特性。最近國內(nèi)新研制的高溫陶瓷氣凝膠，這種陶瓷氣凝膠具有優(yōu)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(yōu)良的粘結(jié)層使用。由于納米陶瓷微珠的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、晶體結(jié)構(gòu)等與復(fù)合碳纖維粘結(jié)層的差異較大，因此粘結(jié)層與陶瓷層的界面力學(xué)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(jī)械性能 、疲勞性能等實驗測試結(jié)果的驗證，對其組成結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)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(yīng)具備良好的防護(hù)性能和高效的活動能力 ，同時也將是輕質(zhì) 、安全 、可靠的系統(tǒng) 。對服裝隔熱設(shè)計提出了更為復(fù)雜的系統(tǒng)性要求 ：一方面服裝 的防護(hù)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(qiáng)的綜合防護(hù)能力 ，軌道出艙時的微流星和輻射防護(hù) ，月面和火星探測時的暈塵防護(hù) ，以及接觸物體時的切割 、穿刺等機(jī)械防護(hù) 。因此需探索不同材料的組合應(yīng)用方法 ，在真空環(huán)境中成熟可靠的隔熱性能 ，復(fù)合纖維材料在空間環(huán)境中的牢固性 、耐久性 、穩(wěn)定性，以及研發(fā)適用于未來先進(jìn)航天服的柔性防護(hù)材料，熱噴涂粘結(jié)層與陶瓷層界面研究是現(xiàn)階段未來的發(fā)展方向。

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