基于材料化學在航天中的應用

＊汪洪波 祝媛媛

（湖北大學知行學院生物與化學工程學院 湖北 430000）

引言

隨著我國航空行業的逐漸發展，早期引進的一些飛機逐步進入老齡化，經歷長時間的飛行后，結構的完整性受到了極大的影響，不但發生了損傷現象，有一些還出現了嚴重的腐蝕現象，這不僅會威脅到航空飛機在運行中的安全，甚至會使相應的航空公司蒙受極大的經濟損失，所以，研究材料的檢測與腐蝕性的排除對于航空企業有著重要的意義。這些問題都與材料化學密切相關，可以通過材料化學對航天器所發生的問題進行研究，研發解決的途徑。

1.航空材料的進展

人們花在探索飛機材料上的時間比火箭飛機長得多，對其發展過程的觀察也更加豐富。通過對航天材料發展過程的了解，我們可以發現，航天材料的發展大致取決于以下三個因素。（1）材料科學新理論的發現：鋁合金的時效強化原理導致鋁合金變硬。（2）材料加工技術的進步：沒有技術的支持，就沒有進步。簡單來說，當新材料被發現時，必須有相應的應用技術。比如古代鑄鍛技術發展到定向凝固技術和精鍛技術，使高性能葉片材料可以在實踐中得到應用；復合增強纖維層的設計和工藝技術的發展使其在不同應力方向上具有最佳特性，從而使復合材料“可設計”，開辟了其應用的廣闊前景；熱等靜壓技術等新型技術的發展，基于了新一代的航空零件以更全新優質的性能。（3）材料性能測試及無損檢測技術的發展：如今的材料性能檢測儀器能夠深入檢測材料的分子結構，材料力學性能測試裝置已經能夠模擬飛機的載荷譜，隨著技術的不斷發展，無損檢測技術也有了極大的進步。航空材料性能測試及無損檢測技術正在為我們提供詳細準確的數據，為航空設備的制造及設計提供更實用的材料性能數據，為航空材料的制造及使用提供高效快速的的檢測方案。

航空材料所使用的大部分零件幾乎都需要在超高溫、超低溫、高真空、強腐蝕等極端條件下運行，因此對航空材料的要求極高，在實際運行中，由于受材料重量和容納空間的限制，航空材料需要在正常情況下以最小的體積和質量發揮同等的功能，有的需要在大氣或外太空長時間運行，因此不能隨時隨地停止檢查或更換零件設備，所以航空材料更加需要有較高的可靠性和質量保證。

2.航空航天材料所需的性能

(1)具有較高的比強度和剛度

對飛機材料的基本需求是：重量輕，強度高，剛性好。減輕飛機的構造重量意味著增加運載才能，提升機動性，增加飛行間隔或航程，減少燃料或推進劑的耗費。因而，強度和剛度是決定航空航天資料力學性能的重要參數。同時，飛機除了接受靜載荷外，還必須接受起降、發起機振動、機動飛行和突風等引起的交變載荷，所以航空材料是否能耐疲勞也成為科學家們研究考慮的重點。

(2)優良的耐高溫性能

就是說航空資料要能接受更高的工作溫度。關于機身材料，氣動加熱效應增加了外表溫度，這就需要構造材料具有耐高溫性；關于發動機材料，需要渦輪盤和渦輪葉片具有良好高溫耐腐蝕性。

(3)耐老化和耐腐蝕

航空材料需要面臨的另一個問題是腐蝕與老化，航天材料接觸的物質，如飛機燃料、火箭推進劑等，大多數對金屬和非金屬資料有很強的腐蝕或收縮作用。高分子材料在濕潤的環境中長期運行而產生的霉菌和太陽的照射及風雨的腐蝕，會加速其老化過程。所以耐腐蝕、耐老化、防霉也是航天材料應該具備的特性。

(4)壽命長，安全性高

作為載人技術的裝置，這是一個毋庸置疑的的要素。使用材料，必需要求其安全要素。同時需要留意的是，在飛機質量不時減小的同時，質量減小帶來的安全性降低現象也不容忽視。

(5)成本低

航空飛機的成本不斷上升，擁有優異航空技術的國家和地區對于航空設備有更多的要求。其中航空材料在航空產品中所占的成本和價格非常高，所以材料選擇和低成本研發是航空材料發展的重要要求。同時，許多民航飛機作為普通人們使用的交通工具，實現降低成本也是為了便利群眾，實現以人為本的要求。

3.材料化學的特性

材料化學主要是通過化學變化加工出多種多樣、形式功能新穎的新材料。材料化學是一門從化學角度研究材料的制備、生產、組成、應用和廢棄的新學科。同時，材料化學不僅僅是材料科學的一個分支，也是化學科學的重要組成部分，具有交叉學科和邊緣學科的特點。材料化學的研究范圍幾乎涵蓋了所有材料領域，其主要的研究范疇是材料在制備、使用過程中涉及到的化學過程、材料性質的測量。

在21世紀，科學技術是第一生產力。因此，各種高科技手段不斷推動著各行各業的發展。其中，材料化學是極為重要的一門學科，可以有效地將材料與信息結合起來，更好地利用現有的能源。特別是近些年來，隨著材料技術和信息技術的發展，材料化學也在高科技領域的發展中起著重要的作用。將材料化學與航空結合起來，是材料化學成功應用的一個典范。

4.材料化學的現狀

隨著科技的逐漸進步，信息和材料成為了推動科技發展的重要組成部分。新興材料在科學技術的發展中占有著極其重要的地位。對于工業水平發達的國家來說，材料的研究和發展是極為重要的，只有把材料領域發展起來，才可能推動國家的科學技術發展。材料化學是二十個世紀發展的新興學科，當前，研究取得了十分不錯的效果，同時也逐步應用到各行各業中，擁有巨大的發展潛力，前景廣闊。

5.材料化學的研究內容

材料化學主要研究材料質變過程中的物理與化學現象，具有各方面的理論知識，主要包括以下幾點內容：（1）以天然的礦物質為原料，采用快速燃燒的方法來制備氮化物等耐火材料，提升燃燒的速度。根據鋼鐵冶煉的技術要求，研制多種氮化物和氮氧化物合成的新型耐火材料。（2）利用物理化學手段來制備微觀相的試樣。用統計模型和透射電鏡的研究方法相結合，研究出材料的結構，進行進一步的研究與應用。針對納米技術，利用物理化學原理，來改變其表面的特征，更好的提升材料質量。（3）更好的利用稀土材料，具備含有稀土的納米催化劑，在稀土材料的基礎上建造超導材料。

材料化學是物理化學的一個分支，但又與其他學科的知識有一定的交叉性。現代材料化學集合了多種學科的知識，更加強調與應用性，因此更具有前沿學科的特點，在材料科技中占有重要的地位。隨著高科技的逐漸發展，各行各業都開始與材料的性能有著緊密的結合。所有行業都是依托于材料的基礎上進行發展。其中，航天技術是推動我國科技發展的重要領域，材料技術與航天領域也有著極為緊密的結合，不但參與材料的制備，也對于后續航天器的維護與檢修有著重要的作用。因此，材料化學在未來的科技發展中占有著重要的地位，同時也具有廣闊的發展前景。

6.材料化學在航空領域的應用

對于航空行業來說，航空材料是行業發展的基礎。機身的材料和發動機的材料是整個航天器中最重要的結構，因此對于航班的飛行安全與各方面性能起著重要的作用。航空結構材料的特點是強度高，質量輕，可靠性高。飛行器作為一個整體，還需要一些極為精密的材料，這叫對于材料的發展提出了更高的要求。在這些高質量材料的研發過程中，離不開材料化學，不但可以使得所具備出的材料符合標準要求，還可以降低成本，提高航天器的質量。

對于各個國家來說，航空安全都是極為重要的，因此在登機前，機場的安全部門要對于乘客所攜帶的隨身行李進行嚴格的檢查。但是，現在一些航空安全系統有許多的漏洞，盡管有一些法規條例，但是卻沒有統的評定標準。因此，提高檢測的精度與效率是極為重要的，這就需要培養出精通材料和材料使用安全的機場人才，這也是材料化學領域的重要研究方向。

7.結語

綜上所述，我們可以看出材料化學的前景是非常廣闊的，將材料化學應用在航空技術中，不但可以提升發動機的性能，也可以對于飛行安全及能源環保起到一定的作用。由此可見，材料化學的應用范圍極為廣泛，不僅可以應用在材料的制備中，還對于航天器的修復及維護有著重要的作用，因此材料化學有著巨大的發展潛力，并且，對于其他科技行業也有重要的作用，等待人們去開發。