航天行業(yè)由于其特殊的工作環(huán)境，對材料的性能要求比較高，促進(jìn)了很多新材料的發(fā)展，包括復(fù)合材料和高熵合金等，而其研究及應(yīng)用都十分熱門，對工業(yè)行業(yè)尤其是航天航空業(yè)起著巨大影響，下面是對這些領(lǐng)域中常用材料的簡單介紹。

    由于不同領(lǐng)域間科學(xué)技術(shù)的長足發(fā)展，特別是在工程制造技術(shù)方面，使得可供選擇的材料隨之增多，并因此使我們能更積極地創(chuàng)造新的東西。與此同時(shí)，我們也承受著更大的風(fēng)險(xiǎn)，要求對所使用的材料在組成和成分上達(dá)到更高的控制水平。

    此外，還有一些基本的材料，如比較先進(jìn)的復(fù)合物，由相互獨(dú)立的材料分層組成；合金，則是在其本體中融入其他物質(zhì)后形成的混合物。

    陶瓷，一種傳統(tǒng)上被定義為由氧化物、氮化物或碳化物組成的極其硬且脆的材料。雖然陶瓷在較強(qiáng)的沖擊下會(huì)被打碎，不耐拉伸或剪切作用，但卻能夠承受很強(qiáng)的壓力。當(dāng)陶瓷被加熱融化并經(jīng)噴嘴吹成纖維后，就能被加工成柔軟易彎曲的織物，如陶瓷羊毛和硅地毯。而且由于這種材料幾乎不可燃燒，所以在軟性沖擊吸收墊物中發(fā)揮了很重要的作用。

    玻璃陶瓷則是我們更熟悉的材料，如今已被廣泛的用于智能手機(jī)上，它的另一個(gè)名字是：大猩猩玻璃。這是一種鋁硅酸鹽玻璃，由熔融玻璃在高溫下可溶的陶瓷摻雜劑微粒周圍成核形成。根據(jù)康寧公司的說法，當(dāng)其冷卻時(shí)，結(jié)晶度在50%-99%范圍內(nèi)。這種材料除了透明度與玻璃非常相像，其他方面則與玻璃有較大區(qū)別。在回火后，拉力與壓力間的平衡使得這種材料異常堅(jiān)硬。而且玻璃陶瓷作為導(dǎo)電涂層表現(xiàn)優(yōu)良，工程上利用它的這種特點(diǎn)來使航天器的窗戶免受冷凝水和冰的困擾。

   材料化學(xué)

    航天器窗戶是材料科學(xué)的重大應(yīng)用之一。其中一種制造太空窗戶的途徑是使用熔融的100%純二氧化硅。另一種途徑是使用氮氧化鋁，這是一種通常用于制作防彈玻璃的透明材料。在該種材料的制造商特供的視頻中可看到，1.6英寸的氮氧化鋁足以完全抵擋。50cal的穿甲彈。氮氧化鋁和熔融二氧化硅的制作開始于預(yù)制好的粉末原料，也稱玻璃料，然后被置入模具中并被加熱至極高溫度以形成單獨(dú)一塊透明堅(jiān)硬材料。由于無法使用100%純凈的原料，摻雜幾乎成了制造中的關(guān)鍵問題。摻雜意味著在原始配方中加入微量的特殊物質(zhì)，以便于得到這種特殊物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)而不繼承其在單獨(dú)存在時(shí)存在的缺點(diǎn)。然而多數(shù)情況下，摻雜劑都無法使材料獲得特殊性能。

    冶金則與摻雜更加關(guān)系密切，合金的概念也因此而來，我們對金屬材料有很多好的處理手段。鋁鈮合金的熔點(diǎn)高到可以忍受Falcon 9火箭引擎噴管中的極熱環(huán)境，但這也要?dú)w功于該火箭的冷卻模式：推進(jìn)劑在噴嘴壁中的空腔中循環(huán)流動(dòng)，冷卻鐘形罩的同時(shí)加熱其余的推進(jìn)劑，并起到熱泵的作用。包括黃銅和黃金在內(nèi)的合金由于其在極端的溫度及化學(xué)環(huán)境下耐腐蝕的性能而有著重要的應(yīng)用。就像Parmesan奶酪中會(huì)用到抗結(jié)塊劑，合金也會(huì)加入硅來改善其熔化狀態(tài)下的流動(dòng)性，使其更易于鑄造一些復(fù)雜的構(gòu)件。

    摩擦攪拌焊接，通過物理方法使得兩種材料一同熔化并被焊接成一個(gè)結(jié)構(gòu)整體，解決了SpaceX鋁合金部分的連接問題。

    在關(guān)于半導(dǎo)體的研究中，我們已經(jīng)有了很多材料化學(xué)方面的成就，這之后我們對摻雜的控制足以做到在金剛石網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中引入單原子點(diǎn)缺陷。這種精確的加工手段對于“高熵合金”十分關(guān)鍵，高熵合金是四到五種，甚至更多元素的混合物，擁有非常高的剛性，可被用來制作更輕薄、更有延展性的物品。雖然硬度和延展性是兩種被認(rèn)為互相排斥的屬性，但一名來自MIT的冶金學(xué)家已經(jīng)成功制造出同時(shí)極高硬度和極佳延展性的類鋼鐵的高熵合金，

    當(dāng)然對摻雜劑的選擇也十分重要。鉭和鎢是堅(jiān)硬的高密度抗輻射金屬，曾被混入鈦中作為Juno的“防輻射服”。這件防護(hù)服會(huì)因吸收輻射而逐漸脆化，但因此保護(hù)了衛(wèi)星中精巧的電路和其他貨物。

    輻射傷害可以被防護(hù)材料所減緩，基本方法是將某些防護(hù)材料嵌入裝載物和充能物品之間，尤其是充能物品，通常會(huì)導(dǎo)致信號(hào)錯(cuò)誤，腐蝕金屬和造成短路。在地球上通常使用鉛，但鉛并不適合太空航行，因?yàn)殂U過于柔軟，無法承受振動(dòng)負(fù)荷，而且密度太大不適合做成粉末。所以Juno的防護(hù)服主要是鈦，而且鈦比鋁堅(jiān)固且比鋼輕。

    因?yàn)槲覀兊暮教炱麟x不開電腦的幫助，所以延長電子元件在太空中的工作時(shí)間一直是個(gè)重要問題。而當(dāng)我們制造更小的電子元件和降低其能耗時(shí)，物理學(xué)限制了這種途徑所能達(dá)到的極限程度，而且越接近這個(gè)極限，系統(tǒng)就越容易受到擾動(dòng)。輻射損傷、溫度差異、短路電流乃至物理振動(dòng)都會(huì)對電路造成傷害。電子自旋能為計(jì)算提供更多能壘，以大幅加強(qiáng)計(jì)算機(jī)的性能，并對能給普通電路造成毀滅性破壞的電磁風(fēng)暴有較好的抗性。但在我們真正實(shí)現(xiàn)光電路及電子自旋可控之前，我們?nèi)砸敕皆O(shè)法使傳統(tǒng)電路在太空中有更好的性能，而這仍要用到更好的法拉第籠。

    復(fù)合材料

    復(fù)合材料的制造比較困難，通常要用到極其特殊的加工設(shè)備如巨型高壓釜等。但復(fù)合物的性能真的十分優(yōu)異。

    多層絕緣材料擁有優(yōu)良絕熱性的和電絕緣性，因此而被NASA在幾乎所有地方應(yīng)用，正是這種物質(zhì)使得航天器的外表像被覆蓋了一層金箔。同時(shí)，這種材料也可被用于對器件整體進(jìn)行接地導(dǎo)電，只需將箔片中的織物網(wǎng)絡(luò)換成金屬網(wǎng)絡(luò)即可。

    SpaceX在載具建設(shè)中用到了剛性復(fù)合物材料，這是一種有碳纖維和金屬蜂窩網(wǎng)絡(luò)層壓在一起形成的輕便而又堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。泡沫和氣凝膠也可以做成同樣輕便堅(jiān)硬的絕熱層狀結(jié)構(gòu)。

    
    Falcon 9回收后整流罩的外貌。注意碳纖維布料與金屬蜂窩形成的三文治結(jié)構(gòu)。

    復(fù)合物材料能承受得著物理性能考驗(yàn)，但是剛性材料并不是唯一的選擇。船梁上的可充氣航天模塊，也可以叫做“罐裝橡皮城堡”，是由叫做beta布料的特殊玻璃纖維柔性復(fù)合材料制造而成的，這種材料及其類似物早在90年代末就已被NASA及其他組織所應(yīng)用，因?yàn)樗鼜膩聿粫?huì)讓人失望。beta布料由有PTFE涂層的玻璃纖維方平組織織物構(gòu)成，是玻璃纖維和特氟龍的衍生材料。對于這種材料，即使是用最堅(jiān)硬鋒利的剪刀也不能傷及分毫，而其柔性則可以有效抵抗沖擊，并且難以被腐蝕，就算是在純氧氛圍中也如此。最后，科學(xué)家通過激光照射才使得這種材料開始發(fā)生降解。

    類似beta布料的還有柔性Chromel-R金屬布料，常在宇航服和飛船船身充當(dāng)抗摩擦部分。Chromel-R就像是beta布料編織的地毯，不同的這種beta布料是由堅(jiān)固的帶涂層金屬線構(gòu)成。此外，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)由陶瓷纖維和凱夫拉組成的層狀結(jié)構(gòu)“填充型Whipple防護(hù)罩”，在阻止超高速陶瓷顆粒形成方面做的比鋁箔更好。

    宇航服是柔性復(fù)合材料的最佳應(yīng)用場所。單獨(dú)一種材料不能抵擋所有東西，但是當(dāng)把幾種有不同抗性的薄層材料疊加在一起形成層狀結(jié)構(gòu)時(shí)，就可以得到多重抗性材料，并且仍舊保持良好的可彎曲性能。在SpaceX的新一代宇航服中加入Darlexx，可得到防火宇航服；繼續(xù)加入非牛頓型流體緩沖層和陶瓷合金吸傷平板層，則得到一件防火盔甲。然后你要做的便是在頭盔中加入平視顯示功能，或者在座椅里加入一些高密度記憶海綿。上述這些都建立在現(xiàn)今能生產(chǎn)加工的材料基礎(chǔ)之上。