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高端碳材料为航天事业保驾护航

    

神舟十三号飞船日前顺利返航,再次创造人类航天史奇迹。为了保证航天器顺利发射、运行以及返航,需要材料科学领域提供强有力支持。

泡沫碳隔热起关键作用

    神舟十三号载人飞船在返回过程中,虽然返回舱与大气层剧烈摩擦形成一个大火球,但是里面的航天员却不会因此而受到高温炙烤。返回舱究竟是如何经受住2000多摄氏度的高温考验的呢?

    其中的秘密就是使用了高端碳材料作为隔热层。美国NASA所发射的PARKER太阳探测器能够经受太阳表面6000摄氏度的高温也是采用了类似材料。


       泡沫碳是一种由孔泡和相互连接的孔泡壁组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料,除具有碳材料的常规性能外,泡沫碳还具有密度小、强度高、耐腐蚀、抗热震、易加工等特性,石墨泡沫具有良好的导电、导热、吸波等物理和化学性能。据悉,以煤温和液化沥青、煤液化残渣、中间相沥青、煤焦油沥青、酚醛树脂等为原料稳定制备不同尺寸的泡沫碳的工艺技术,密度可在0.1-0.9g/cm3之间调控。使用高品质中间相沥青为原料时,其密度刚好与美国帕克太阳探测器所用11cm厚泡沫炭的密度相当。

碳纤维让航天器平稳落地

      据了解,神舟飞船的降落伞主要由三部分组成:第一个打开的引导伞个头最小,主要是把减速伞从伞舱筒里拉带出来,所以它承受力量非常大。它的材质质地也是非常坚固、稳定的;第二个打开的减速伞的作用主要是减速,就是从200米每秒要减速到大概90米每秒的一个速度,确保后面主伞打开;第三个打开的主伞学名叫环帆伞,整个伞有1200平方米,是我国目前所有航天器里面最大的一个降落伞。它可以把载人飞船三吨的重量从90米每秒降到大概七八米每秒的速度,然后确保航天员能够平稳着陆。

      如此高强度、高韧性的降落伞所使用的材料,同样是高端碳材料。中间相沥青是一种具有光学各向异性的液晶态物质,可用于制备高性能高导热碳纤维、高端泡沫炭、高导热炭—炭复合材料、粘结剂、高比表面积活性碳、超级电容器用活性碳、锂离子负极材料等方面,是多种高端炭素材料的优良前驱体,在尖端科技、国防军工、航空航天、日常生活等领域有着重要作用。


       据了解,中间相沥青基碳纤维的特点是高模量、高导热、热膨胀系数低,其模量最高可达1000GPa左右,导热系数可达1100W/(m·K),这是聚丙烯腈基碳纤维无法比拟的。超高的热导系数使得中间相沥青基碳纤维在高温环境中,可以将热量快速向环境释放,所以中间相沥青基碳纤维更适合应用在高超音速飞行器上,是卫星、飞船结构以及精密罗拉等高端航空航天装备制造不可替代的关键材料。


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