纳米陶瓷微珠材料在太空服中应用探讨

孟东升

摘要：随着我国载人航天事业的发展，未来的宇航员出仓活动会越来越多，航天服是保障航天员生命活动和工作能力的个人密闭装备，可以说是一个小型航天器，可防护空间的真空、高低温、辐射和微流星等环境因素对人体的危害。航天服分六层：由特殊防静电处理过的棉布织成的舒适层、橡胶质地的备份气密层、复合关节结构组成的主气密层、涤纶面料的限制层、通过热反射来实现隔热的隔热层、最外面的外防护层。躯干达到7层，最厚的是挂包有20层。做为最外的防护层是重中之重，要求耐高温、防磨损力强，防热辐射等。以美国舱外航天服为例，最外层采用耐极端温度的特氟珑、凯夫拉、和诺梅克斯的三维立体正交织物，这层材料不但极为结实，而且可以长期曝露在极端温度中仍然安然无恙。这几年随着新材料的出现，外层航天服材料有了更新的创新空间，纳米陶瓷微珠材料绝热性能好、热稳定性好、化学稳定性好、既耐磨又耐碰撞，对空间各种射线有良好的屏蔽作用，做为一种新材料如何在太空服上使用，我们做一下探讨。

航天服是航天出舱活动生存和执行任务的基本装备，如果没有航天服走出飞船，那么因为缺氧你会在15秒甚至更短时间内昏迷，因为外部气压很小或者为零，你的血液和体液可能沸腾，然后冻结。在太空阳光下温度在120℃甚至更高，在阴影下迅速降至-100℃，宇宙中还有各种类型射线，太阳辐射带电粒子和高速移动微小尘埃、微流星体。航天服隔热层要求防火、防辐射、防宇宙射线对人体的危害，大部分外层是五层镀铝织物（如芳纶纤维或者聚酰亚胺薄膜），热防护系统是舱外航天服的重要功能组成，⑴随着国内外载人航天领域的不断拓展 ，与航天服热防护相关的技术也在不断发展。在我国完成的出舱活动任务及当前国际空间站出舱活动任务中，所使用航天服的热防护技术主要是针对近地轨道热环境（Low Earth Orbit，LEO）的设计应用，而面向月球、火星的探索以及未来深空探测将需要研制新型航天服和发展更加完善的热防护技术。纳米陶瓷能够有效阻止热传导，对流传热和辐射传热这三种热量传递方式，所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上，具有优良的力学性能和光学性能，纳米陶瓷在力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。纳米级陶瓷复合材料的力学性能，特别在高温下硬度、强度得以较大的提高。有关研究表明，纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性。通常硬化处理使材料变脆，造成断裂韧度的降低，而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度。因此，如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的，在室温下就允许有大的弹性形变。纳米级陶瓷微珠可以做为太空面料的外层喷涂，陶瓷微珠具有很高的耐热性，可在1200℃下长期使用，它的质量很小，热喷涂纳米陶瓷涂层具有优异的耐磨、防腐、隔热等性能。纳米陶瓷微珠的喷涂基层应该是碳纤维面料等牢固性好功能面料，⑵纤维基层方面NASA进行大量候选隔热材料研究，包括多孔材料 、相变材料等多种类型。初步的实验研究结果，从隔热效果 、材料柔性 、力学强度 、厚度 、质量 、以及工业技术成熟性等多方面，评估了材料在航天服隔热应用中的优劣性，认为纤维类材料综合性能突出，因此初期的研究主要聚焦在纤维类材料上，最早使用芳纶无纺织物，该织物具有较低的热导率。在复合纤维织物热喷涂纳米陶瓷中，为减小纺织基体与陶瓷涂层的应力梯度，喷涂陶瓷涂层过程中通常先在基体表面制备一层粘结层。气凝胶材料不论在高真空或者低真空下，能较好的满足作为服装隔热性能要求的粘结层⑶目前最常见的气凝胶为无机硅气凝胶 ，硅气凝胶是一种以直径为 1～10 nm的小硅粒子，通过连接形成的高度多孔的网状结构小孔，大小直径约为 20 nm。气凝胶小孔或真空空隙占总体积 的90%或更多 ，气凝胶的结构特点决定了其低密度和低传热特性。最近国内新研制的高温陶瓷气凝胶，这种陶瓷气凝胶具有优异的隔热、耐火、抗氧化（空气中可耐受2小时900℃的高温）和耐高温性，具有良好的柔韧性，可以做为优良的粘结层使用。由于纳米陶瓷微珠的热膨胀系数、弹性模量、晶体结构等与复合碳纤维粘结层的差异较大，因此粘结层与陶瓷层的界面力学性能直接决定了整个材料性能，柔性纤维喷涂纳米陶瓷微珠加气凝胶合成织物材料，还需要得到材料机械性能 、疲劳性能等实验测试结果的验证，对其组成结构不断优化，解决材料与服装整合以及材料粉尘密封的问题使其更加轻薄 、柔软，减少对活动的阻碍，未来空间多目的地探测，新一代航天服应具备良好的防护性能和高效的活动能力 ，同时也将是轻质 、安全 、可靠的系统 。对服装隔热设计提出了更为复杂的系统性要求 ：一方面服装 的防护性能和活动工效要兼顾;另一方面，由于隔热层通常整合需要同时具备较强的综合防护能力 ，轨道出舱时的微流星和辐射防护 ，月面和火星探测时的晕尘防护 ，以及接触物体时的切割 、穿刺等机械防护 。因此需探索不同材料的组合应用方法 ，在真空環境中成熟可靠的隔热性能 ，复合纤维材料在空间环境中的牢固性 、耐久性 、稳定性，以及研发适用于未来先进航天服的柔性防护材料，热喷涂粘结层与陶瓷层界面研究是现阶段未来的发展方向。

参考文献

[1]航空材料学报 杨冬晖、李猛、尚坤 航天服隔热材料技术进步进展

[2]TREVINO L，ORNDOFFE.Advancedspacesuitinsulation feasibilitystudy[C]//30thInternationalConferenceonEn— vironmentalSystems.Toulouse，USA：SAE，2000.

[3]航空材料学报 张志华、王文琴 气凝胶材料的制备、性能及其低温保温隔热应用