揭秘玄武岩如何織成五星紅旗
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今年5月3日,嫦娥六號在中國文昌航天發射場發射,由長征五號送入地月轉移軌道。在53天的時間裡,嫦娥六號成功著陸月背南極“艾特肯盆地”的預選著陸區,並實現世界首次月背採樣和起飛,並攜帶月壤於6月25日成功返回地球,往返超過76萬公裡。
在這份成功的背后,還有許多不為人知的故事。系列報道《月亮之上的科技“嫦娥”》,探索嫦娥探月背后的科技力量。今天我們一起關注首次在月球背面展示的五星紅旗。
“石頭版”五星紅旗 原料來自玄武岩
此次嫦娥六號在月背展示的國旗,對材質的要求非常特殊,它是用“石頭”做成的。
在河北蔚縣的一家採石場,這裡正在採集的是一種叫玄武岩的石材。這裡的玄武岩,是國內地層最古老、數量最多、種類最全的玄武岩群之一。
蔚縣新源玄武岩礦業負責人 朱兆春:玄武岩具有韌度高、耐腐蝕性、耐酸鹼性、耐高溫低溫等優異性能。
朱兆春對玄武岩的特性很了解,但他不知道的是,玄武岩所具備的這些特性,正是嫦娥六號月面國旗研制團隊一直在尋找的適合月球環境的材料。
嫦娥六號月面國旗研制團隊成員 武漢紡織大學教授王運利:月球的環境下,它的高低溫是零下150℃和零上150℃這麼高的溫差。因為月球沒有大氣保護,紫外線會直接照射到物體上。所以說,對於國旗,它提出了更加嚴苛的環境的要求。
除了特性能夠滿足月球環境之外,研制團隊在研究月壤成分的時候還發現,玄武岩也與月壤化學成分相近。
嫦娥六號月面國旗研制團隊成員 武漢紡織大學教授曹根陽:我們通過公開研究月壤的文獻,發現月球上玄武岩的組分是很復雜的,有一二十種成分,最主要的是二氧化硅。我們就去匹配,對石頭進行了分析,發現它的數據和月壤的成分非常接近。最終,我們選擇了河北蔚縣的玄武岩礦。
就這樣,河北蔚縣的玄武岩被選為制造嫦娥六號國旗的原材料。這些在地球存在了億萬年的石頭,踏上了奔月之路。
千錘百煉 石頭變成超輕超薄布料
此次嫦娥六號選擇“石頭版”國旗進行月背展示,有一個非常重要的原因,就是把玄武岩制造國旗作為月面原位制造的一種探索。未來建造月球基地需要就地取材,把月球上的玄武岩做成片狀或者管狀建材,用於月面建造,這樣比在地球上取材大大節省了成本。
原料確定后,如何把石頭變成布料,並精准控制重量,成了研制團隊急需攻克的難題。
嫦娥六號月面國旗和嫦娥五號上的國旗規格一樣,大小也是300mm×200mm,與一張A4紙差不多大。不過,玄武岩纖維的密度超出嫦娥五號國旗原料密度近一倍,這就會導致“石頭版”國旗會更重。由於要用到航天器上,月面國旗的重量要求極為苛刻,需要在同樣的尺寸大小下,保持一樣的重量。研制人員推算出,這需要把玄武岩纖維做到每1000米重8.8克的密度才不會超重,但這麼細的玄武岩纖維要怎麼生產出來呢?
曹根陽告訴記者,當時工藝控制、爐子溫度、噴絲板狀態等等都在不斷地調試,但是無論怎麼做,10克每千米的密度指標都成了制作玄武岩纖維難以跨越的鴻溝。經過無數次的試驗,在一次生產過程中發現,對噴絲板內腔結構進行梯形優化,再配合爐內分布式精准控溫,可以解決玄武岩纖維特性不足的問題。
最終,研制團隊成功實現了超細玄武岩纖維的穩定量產,他們做出來的嫦娥六號國旗的重量隻有11.3克,比嫦娥五號國旗還要輕0.5克。
四年攻關 月背完美呈現“中國紅”
超細玄武岩纖維制造出來了,下一個挑戰接踵而至。“如何給石頭制造出來的纖維上色”成為擺在研制團隊面前的又一難題。
由石頭拉出的細絲和布料不同,表面特別光滑,顏料不能牢固地附著在旗面上。旗子做好了,顏色又上不去了,科研團隊隻能反復嘗試,來找到解決的辦法。
最后,研制團隊結合嫦娥五號的經驗,利用織物表面的芳綸短纖毛羽,使顏料中的黏合劑與其形成類似“鉚釘”錨定的效果,有效提升涂料界面結合牢度與國旗圖案的色彩飽滿度,保障了國旗的月面展示效果。
科研人員告訴記者,從一根絲到一面旗,中間的工序少說也有四五十步。相較於嫦娥五號國旗研制的8年攻關,嫦娥六號國旗的科研攻關時間格外緊張,團隊成員們幾乎沒有休息日,這些都是為了確保這面國旗能夠經受住“千錘百煉”。
嫦娥六號月面國旗研制團隊成員 武漢紡織大學博士盛丹:力學實驗就有4個,環境實驗裡面是有三步,包括前期測試之類的,至少在50步。最后是拿一面旗子,從頭到尾經歷了一次完整的實驗,包括最后的展開。后來看到國旗機構展開的時候,看到機構展開的時候,伸出小手,覺得特別可愛、自豪。
月面國旗研制團隊歷時近4年,攻克了玄武岩超細纖維紡紗、織造及色彩構建等諸多國際難題,首次研制出無溫控保護、獨立動態展示的“石頭版”高品質織物國旗,實現了我國首次在月球背面獨立動態展示國旗。又一次在月球打上“中國標識”!
前景可期 航天科技織就“防火魔法衣”
在“石頭版”國旗研制的同時,月面國旗團隊開啟了將玄武岩纖維拓展到對耐熱、阻燃等領域的應用研究。這些研究成果也讓玄武岩有了更多的用武之地。
眼前閃爍著金褐色光澤的天然纖維,就是由堅硬的玄武岩拉絲而成。生產車間裡,大批的玄武岩碎石被投進高爐,1500℃的高溫下,岩石被熔化為液體,再通過轉軸拉成肉眼幾乎無法看到的細絲。而這一股纖維中,總共包含400根500微米的單絲。用手觸摸一縷玄武岩纖維的單絲,其質感像頭發絲一樣,絲滑又極具韌性,由它們制成的衣服就是具有防火功能的“魔法衣”了。
玄武岩纖維結合紡織工藝制成的布料,除了作為消防衣在特殊場景進行使用以外,未來還可以制成防火窗帘、防火床墊等家用物品。同時,在道路建設、復合材料、新能源汽車等領域,玄武岩纖維都有著廣闊的應用前景。
湖北匯爾杰新材料科技股份有限公司總經理吳敏勇:在新能源汽車領域,可以用作剎車片,可以用做電池模組的防火布﹔在航天軍工領域,我們用作航天發射場攔截網。
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