基于材料化学在航天中的应用(3)

祝媛媛（1979-），女，副教授，湖北大学知行学院生物与化学工程学院；研究方向：应用化学。

引言随着我国航空行业的逐渐发展，早期引进的一些飞机逐步进入老龄化，经历长时间的飞行后，结构的完整性受到了极大的影响，不但发生了损伤现象，有一些还出现了严重的腐蚀现象，这不仅会威胁到航空飞机在运行中的安全，甚至会使相应的航空公司蒙受极大的经济损失，所以，研究材料的检测与腐蚀性的排除对于航空企业有着重要的意义。这些问题都与材料化学密切相关，可以通过材料化学对航天器所发生的问题进行研究，研发解决的途径。1.航空材料的进展人们花在探索飞机材料上的时间比火箭飞机长得多，对其发展过程的观察也更加丰富。通过对航天材料发展过程的了解，我们可以发现，航天材料的发展大致取决于以下三个因素。（1）材料科学新理论的发现：铝合金的时效强化原理导致铝合金变硬。（2）材料加工技术的进步：没有技术的支持，就没有进步。简单来说，当新材料被发现时，必须有相应的应用技术。比如古代铸锻技术发展到定向凝固技术和精锻技术，使高性能叶片材料可以在实践中得到应用；复合增强纤维层的设计和工艺技术的发展使其在不同应力方向上具有最佳特性，从而使复合材料“可设计”，开辟了其应用的广阔前景；热等静压技术等新型技术的发展，基于了新一代的航空零件以更全新优质的性能。（3）材料性能测试及无损检测技术的发展：如今的材料性能检测仪器能够深入检测材料的分子结构，材料力学性能测试装置已经能够模拟飞机的载荷谱，随着技术的不断发展，无损检测技术也有了极大的进步。航空材料性能测试及无损检测技术正在为我们提供详细准确的数据，为航空设备的制造及设计提供更实用的材料性能数据，为航空材料的制造及使用提供高效快速的的检测方案。航空材料所使用的大部分零件几乎都需要在超高温、超低温、高真空、强腐蚀等极端条件下运行，因此对航空材料的要求极高，在实际运行中，由于受材料重量和容纳空间的限制，航空材料需要在正常情况下以最小的体积和质量发挥同等的功能，有的需要在大气或外太空长时间运行，因此不能随时随地停止检查或更换零件设备，所以航空材料更加需要有较高的可靠性和质量保证。2.航空航天材料所需的性能(1)具有较高的比强度和刚度对飞机材料的基本需求是：重量轻，强度高，刚性好。减轻飞机的构造重量意味着增加运载才能，提升机动性，增加飞行间隔或航程，减少燃料或推进剂的耗费。因而，强度和刚度是决定航空航天资料力学性能的重要参数。同时，飞机除了接受静载荷外，还必须接受起降、发起机振动、机动飞行和突风等引起的交变载荷，所以航空材料是否能耐疲劳也成为科学家们研究考虑的重点。(2)优良的耐高温性能就是说航空资料要能接受更高的工作温度。关于机身材料，气动加热效应增加了外表温度，这就需要构造材料具有耐高温性；关于发动机材料，需要涡轮盘和涡轮叶片具有良好高温耐腐蚀性。(3)耐老化和耐腐蚀航空材料需要面临的另一个问题是腐蚀与老化，航天材料接触的物质，如飞机燃料、火箭推进剂等，大多数对金属和非金属资料有很强的腐蚀或收缩作用。高分子材料在湿润的环境中长期运行而产生的霉菌和太阳的照射及风雨的腐蚀，会加速其老化过程。所以耐腐蚀、耐老化、防霉也是航天材料应该具备的特性。(4)寿命长，安全性高作为载人技术的装置，这是一个毋庸置疑的的要素。使用材料，必需要求其安全要素。同时需要留意的是，在飞机质量不时减小的同时，质量减小带来的安全性降低现象也不容忽视。(5)成本低航空飞机的成本不断上升，拥有优异航空技术的国家和地区对于航空设备有更多的要求。其中航空材料在航空产品中所占的成本和价格非常高，所以材料选择和低成本研发是航空材料发展的重要要求。同时，许多民航飞机作为普通人们使用的交通工具，实现降低成本也是为了便利群众，实现以人为本的要求。3.材料化学的特性材料化学主要是通过化学变化加工出多种多样、形式功能新颖的新材料。材料化学是一门从化学角度研究材料的制备、生产、组成、应用和废弃的新学科。同时，材料化学不仅仅是材料科学的一个分支，也是化学科学的重要组成部分，具有交叉学科和边缘学科的特点。材料化学的研究范围几乎涵盖了所有材料领域，其主要的研究范畴是材料在制备、使用过程中涉及到的化学过程、材料性质的测量。在21世纪，科学技术是第一生产力。因此，各种高科技手段不断推动着各行各业的发展。其中，材料化学是极为重要的一门学科，可以有效地将材料与信息结合起来，更好地利用现有的能源。特别是近些年来，随着材料技术和信息技术的发展，材料化学也在高科技领域的发展中起着重要的作用。将材料化学与航空结合起来，是材料化学成功应用的一个典范。4.材料化学的现状随着科技的逐渐进步，信息和材料成为了推动科技发展的重要组成部分。新兴材料在科学技术的发展中占有着极其重要的地位。对于工业水平发达的国家来说，材料的研究和发展是极为重要的，只有把材料领域发展起来，才可能推动国家的科学技术发展。材料化学是二十个世纪发展的新兴学科，当前，研究取得了十分不错的效果，同时也逐步应用到各行各业中，拥有巨大的发展潜力，前景广阔。5.材料化学的研究内容材料化学主要研究材料质变过程中的物理与化学现象，具有各方面的理论知识，主要包括以下几点内容：（1）以天然的矿物质为原料，采用快速燃烧的方法来制备氮化物等耐火材料，提升燃烧的速度。根据钢铁冶炼的技术要求，研制多种氮化物和氮氧化物合成的新型耐火材料。（2）利用物理化学手段来制备微观相的试样。用统计模型和透射电镜的研究方法相结合，研究出材料的结构，进行进一步的研究与应用。针对纳米技术，利用物理化学原理，来改变其表面的特征，更好的提升材料质量。（3）更好的利用稀土材料，具备含有稀土的纳米催化剂，在稀土材料的基础上建造超导材料。材料化学是物理化学的一个分支，但又与其他学科的知识有一定的交叉性。现代材料化学集合了多种学科的知识，更加强调与应用性，因此更具有前沿学科的特点，在材料科技中占有重要的地位。随着高科技的逐渐发展，各行各业都开始与材料的性能有着紧密的结合。所有行业都是依托于材料的基础上进行发展。其中，航天技术是推动我国科技发展的重要领域，材料技术与航天领域也有着极为紧密的结合，不但参与材料的制备，也对于后续航天器的维护与检修有着重要的作用。因此，材料化学在未来的科技发展中占有着重要的地位，同时也具有广阔的发展前景。6.材料化学在航空领域的应用对于航空行业来说，航空材料是行业发展的基础。机身的材料和发动机的材料是整个航天器中最重要的结构，因此对于航班的飞行安全与各方面性能起着重要的作用。航空结构材料的特点是强度高，质量轻，可靠性高。飞行器作为一个整体，还需要一些极为精密的材料，这叫对于材料的发展提出了更高的要求。在这些高质量材料的研发过程中，离不开材料化学，不但可以使得所具备出的材料符合标准要求，还可以降低成本，提高航天器的质量。对于各个国家来说，航空安全都是极为重要的，因此在登机前，机场的安全部门要对于乘客所携带的随身行李进行严格的检查。但是，现在一些航空安全系统有许多的漏洞，尽管有一些法规条例，但是却没有统的评定标准。因此，提高检测的精度与效率是极为重要的，这就需要培养出精通材料和材料使用安全的机场人才，这也是材料化学领域的重要研究方向。7.结语综上所述，我们可以看出材料化学的前景是非常广阔的，将材料化学应用在航空技术中，不但可以提升发动机的性能，也可以对于飞行安全及能源环保起到一定的作用。由此可见，材料化学的应用范围极为广泛，不仅可以应用在材料的制备中，还对于航天器的修复及维护有着重要的作用，因此材料化学有着巨大的发展潜力，并且，对于其他科技行业也有重要的作用，等待人们去开发。【参考文献】[1]胡记强,王兵,张涵其,刘安康.热塑性复合材料构件的制备及其在航空航天领域的应用[J].宇航总体技术,2020,4(04)：61-70.[2]李丰丰,刘彦菊,冷劲松.形状记忆聚合物及其复合材料在航天领域的应用进展[J].宇航学报,2020,41(06)：697-706.[3]胡济珠,周俊,李云云.基于有机/无机复合材料的航天环境下高效热电转换技术研究[J].空天防御,2020,3(02)：72-76.[4]索尔维与SGL Carbon合作开发用于航空航天的新型复合材料[J].中国粉体工业,2020(01)：43-44.[5]姬广斌.航空航天院校材料化学课程建设探讨[J].化工高等教育,2011,28(04)：39-42.

文章来源：《航天医学与医学工程》 网址: http://www.htyxyyxgc.cn/qikandaodu/2021/0708/527.html