飛船穿上耐高溫"防火服" 為宇宙航行保駕護航

2016年，SpaceX公司的“龍號”無人宇宙飛船順利完成了從國際空間站返回地球的任務。飛船在回程中會進入地球表面的大氣層，此時，艙體與空氣產生的劇烈摩擦，能使艙體表面的溫度達到一千攝氏度以上，這樣的高溫，足以熔化大多數金屬或合金。那麼，為什麼在如此高的溫度下，宇宙飛船不會像流星那樣燃燒殆盡，而是能安全著陸呢？

原來，科學家們根據宇宙飛船的“身材”，為其量身定做了一套“防火服”，而這套“防火服”的材料，則是耐高溫材料。

什麼是耐高溫材料？

顧名思義，耐高溫材料就是指那些熔點高、可阻隔熱量傳導的材料。

耐高溫材料包括耐火材料和耐熱材料，大致可分為兩種——有機物和無機物。一般來說，有機物比較容易燃燒，而陶瓷、礦石等無機物則不易燃燒，在它們面前，火焰不過是“紙老虎”。耐高溫材料也是如此，其中，有機系列的材料所能耐受的最高溫度一般不超過400℃，而無機系列的材料至少也能承受1000℃的高溫。

“防火服”的種類

科學家們看中了無機系列耐高溫材料的耐熱性，便將其制成宇宙飛船的保護層——“防火服”，以確保飛船能夠安全著陸。飛船“防火服”的材料各有不同，包括難熔金屬及其合金、金屬間化合物、碳/碳復合材料、陶瓷及陶瓷基復合材料等。目前，在科技領域使用度高且被人們熟知的材料主要有兩種：鈦與鈦合金、陶瓷及陶瓷基復合材料。

（一）鈦與鈦合金

鈦可以構成不同的晶體，化學家將它稱為同素異構體。當溫度低於882℃時，鈦在微觀下呈現的是密排六方晶格結構，我們稱其為α鈦﹔當溫度高於882℃時，鈦原子呈體心立方晶格結構，我們稱其為β鈦。當溫度升高時，鈦原子可以通過改變原子間的距離以及排列方式（即上文當中的α、β兩種晶格結構）來保持穩定。

鈦合金指的是在鈦的基礎上加入其它元素組成的合金，在整個高溫合金領域中，佔有特殊的地位。金屬原子之間存在著金屬鍵，它就像一股無形的力，將金屬原子束縛在一起，因此，大多數金屬的熔點都顯得極高。而在鈦合金的制作過程中，某些金屬鍵遭到了破壞，這就使鈦合金的熔點低於純鈦。那麼，為什麼我們普遍用鈦合金來制造宇宙飛船的“防火衣”，而不選用純鈦呢？事實上，純鈦的硬度很低，若將其用於航天工業中，那麼飛船在高速行駛的過程中，就會被迎面擊來的空氣粒子打成“畸形”。為了保障飛船和宇航員的安全，科學家選擇了鈦合金。

（二）陶瓷及陶瓷基復合材料

除鈦合金外，陶瓷及陶瓷基復合材料也是常用的“防火服”材料。這裡的“陶瓷”指的可不是日常的陶瓷餐具。宇宙飛船“防火服”所用的陶瓷，是一種新型的復合高溫陶瓷。這種新型復合高溫陶瓷大概有三厘米厚，主要由兩部分組成。其中，與大氣直接接觸的外層是高輻射陶瓷材料，而內層則是導熱系數非常低的耐高溫陶瓷纖維。

隻有高性能的耐高溫材料，才能更好地保障航天員的生命安全和我國航天計劃的成功。希望在不久的將來，科學家們能打造出更安全、更美觀的“防火服”。（鄭斌）