[科普中國]-太空材料

由于地面和空間環(huán)境有別，所以加工材料可利用的外界條件不同，空間實際上是人類所需要探索研究的新領(lǐng)域。

太空材料原理利用特殊的空間資源，可以生產(chǎn)在地面上難以生產(chǎn)或生產(chǎn)效率很低的材料。微重力和超真空提供了制造純度極高的大塊半導(dǎo)體晶體的可能性。1

單晶硅和砷化鎵之類的半導(dǎo)體晶體是電子工業(yè)的基礎(chǔ)。但地面上形成的半導(dǎo)體塊很小，且由于對流的影響，晶體的純度和均勻度都較差，使最后制成的集成電路塊的某些電路失效。在太空微重力環(huán)境下，因未受對流的干擾，形成的半導(dǎo)體晶體不僅塊大，而且均勻度極好，幾乎是無瑕的。電子與計算機工業(yè)的迅速發(fā)展，對高性能大規(guī)模集成電路的需求日益增加，科學(xué)家們已把注意力集中到能夠代表下一代器件材料的砷化鎵上。這種材料具有開關(guān)速度高、功耗低、溫度性能好、抗輻射性強并且具有能夠發(fā)出相干光的優(yōu)點。大量生產(chǎn)高質(zhì)量的砷化鎵看來只有在太空環(huán)境中才能實現(xiàn)。光學(xué)纖維作為信號載體已獲得了日益廣泛的應(yīng)用。地面制的光纖存在著內(nèi)應(yīng)力的缺陷，雜質(zhì)含量較大，從而對通信信號造成很大衰減。在地面上生產(chǎn)光學(xué)玻璃和陶瓷超導(dǎo)材料同樣不能得到滿意的結(jié)果。

在空間微重力環(huán)境下加工生產(chǎn)，通過改變材料成分和微結(jié)構(gòu)，可以使其性能大為提高。微重力環(huán)境對防止晶化、消除雜質(zhì)和損傷，以及在高溫下加工和表面處理具有深遠的意義。這些材料對于激光技術(shù)和激光器件、光學(xué)探測技術(shù)、紅外發(fā)射器技術(shù)、光纖通信技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展將產(chǎn)生巨大的積極影響。聚苯乙烯微球在校準(zhǔn)電子顯微鏡和濾光板、醫(yī)學(xué)診斷上有廣泛用途。在地面上進行聚合反應(yīng)時，由于存在沉積作用和形成乳狀液現(xiàn)象，很難形成均勻的微球。而在太空環(huán)境中，直徑小于2微米和大于40微米的聚笨乙烯微球很容易制造。

主要用途在太空中另一類重要的生產(chǎn)加工領(lǐng)域是合金和特種材料與產(chǎn)品。在微重力條件下利用混溶隙和汽相合金加工的方法，會形成新的合金結(jié)構(gòu)和特性。在空間出現(xiàn)的凝固現(xiàn)象甚至還會改進合金系統(tǒng)的許多特性。在太空中還可以制造出性能優(yōu)異的鑄件、超薄薄膜、高純材料、耐酸腐蝕材料、多性能材料（如可鍛鎢）等。太空工業(yè)化有可能使重要的高科技領(lǐng)域──材料科學(xué)發(fā)生革命性變化。2

耐火性酸性耐火材料以氧化硅為主要成分，常用的有硅磚和粘土磚。硅磚是含氧化硅94%以上的硅質(zhì)制品，使用的原料有硅石、廢硅磚等，其抗酸性爐渣侵蝕能力強，荷重軟化溫度高，重復(fù)煅燒后體積不收縮，甚至略有膨脹；但其易受堿性渣的侵蝕，抗熱震性差。硅磚主要用于焦?fàn)t、玻璃熔窯、酸性煉鋼爐等熱工設(shè)備。粘土磚以耐火粘土為主要原料，含有30%～46%的氧化鋁，屬弱酸性耐火材料，抗熱振性耐火材料好，對酸性爐渣有抗蝕性，應(yīng)用廣泛。

中性耐火材料以氧化鋁、氧化鉻或碳為主要成分。含氧化鋁95%以上的剛玉制品是一種用途較廣的優(yōu)質(zhì)耐火材料。以氧化鉻為主要成分的鉻磚對鋼渣的耐蝕性好，但抗熱震性較差，高溫荷重變形溫度較低。碳質(zhì)耐火材料有碳磚、石墨制品和碳化硅質(zhì)制品，其熱膨脹系數(shù)很低，導(dǎo)熱性高，耐熱震性能好，高溫強度高，抗酸堿和鹽的侵蝕，尤其是弱酸堿具有較好的抵抗能力，不受金屬和熔渣的潤濕，質(zhì)輕。廣泛用作高溫爐襯材料，也用作石油、化工的高壓釜內(nèi)襯。

堿性耐火材料以氧化鎂、氧化鈣為主要成分，常用的是鎂磚。含氧化鎂80%～85%以上的鎂磚，對堿性渣和鐵渣有很好的抵抗性，耐火度比粘土磚和硅磚高。主要用于平爐、吹氧轉(zhuǎn)爐、電爐、有色金屬冶煉設(shè)備以及一些高溫設(shè)備上。

在特殊場合應(yīng)用的耐火材料有高溫氧化物材料，如氧化鋁、氧化鑭、氧化鈹、氧化鈣、氧化鋯等，難熔化合物材料，如碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和硫化物等；高溫復(fù)合材料，主要有金屬陶瓷、高溫?zé)o機涂層和纖維增強陶瓷等。

經(jīng)常使用的耐火材料有AZS磚、剛玉磚、直接結(jié)合鎂鉻磚、碳化硅磚、氮化硅結(jié)合碳化硅磚,氮化物、硅化物、硫化物、硼化物、碳化物等非氧化物耐火材料;氧化鈣、氧化鉻、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈹?shù)饶突鸩牧稀?/p>

經(jīng)常使用的隔熱耐火材料有硅藻土制品、石棉制品、絕熱板等。

經(jīng)常使用的不定形耐火材料有補爐料、搗打料、澆注料、可塑料、耐火泥、耐火噴補料、耐火投射料、耐火涂料、輕質(zhì)耐火澆注料、炮泥等。

散狀耐火材料(不定形耐火材料)：不定形耐火材料是由合理級配的粒狀和粉狀料與結(jié)合劑共同組成的不經(jīng)成型和燒成而直接供使用的耐火材料。通常，對構(gòu)成此種材料的粒狀料稱骨料，對粉狀料稱摻合料，對結(jié)合劑稱膠結(jié)劑。這類材料無固定的外形，可制成漿狀、泥膏狀和松散狀，因而也通稱為散狀耐火材料。用此種耐火材料可構(gòu)成無接縫的整體構(gòu)筑物，故還稱為整體耐火材料。

不定形耐火材料的基本組成是粒狀和粉狀的耐火物料。依其使用要求，可由各種材質(zhì)制成。為了使這些耐火物料結(jié)合為整體，除極少數(shù)特殊情況外，一般皆加入適當(dāng)品種和數(shù)量的結(jié)合劑。為改進其可塑性或減少用水量，可加入少量適當(dāng)增塑減水劑，為滿足其他特殊要求，還可分別加入少量適當(dāng)其他外加劑。

在普通和特種耐火材料中，常用的品種主要有以下幾種：

用量較大的有硅磚和粘土磚。硅磚是含93%以上SiO2的硅質(zhì)制品，使用的原料有硅石、廢硅磚等。硅磚抗酸性爐渣侵蝕能力強，但易受堿性渣的侵蝕，它的荷重軟化溫度很高，接近其耐火度，重復(fù)煅燒后體積不收縮,甚至略有膨脹,但是抗熱震性差。硅磚主要用于焦?fàn)t、玻璃熔窯、酸性煉鋼爐等熱工設(shè)備。粘土磚中含30%～46%氧化鋁，它以耐火粘土為主要原料，耐火度1580～1770℃，抗熱震性好，屬于弱酸性耐火材料，對酸性爐渣有抗蝕性，用途廣泛，是生產(chǎn)量最大的一類耐火材料。

高鋁質(zhì)制品中的主晶相是莫來石和剛玉，剛玉的含量隨著氧化鋁含量的增加而增高，含氧化鋁95%以上的剛玉制品是一種用途較廣的優(yōu)質(zhì)耐火材料。鉻磚主要以鉻礦為原料制成的，主晶相是鉻鐵礦。它對鋼渣的耐蝕性好，但抗熱震性差，高溫荷重變形溫度較低。用鉻礦和鎂砂按不同比例制成的鉻鎂磚抗熱震性好，主要用作堿性平爐頂磚。

碳質(zhì)制品是另一類中性耐火材料，根據(jù)含碳原料的成分和制品的礦物組成，分為碳磚、石墨制品和碳化硅質(zhì)制品三類。碳磚是用高品位的石油焦為原料，加焦油、瀝青作粘合劑，在1300℃隔絕空氣條件下燒成。石墨制品(除天然石墨外)用碳質(zhì)材料在電爐中經(jīng)2500～2800℃石墨化處理制得。碳化硅制品則以碳化硅為原料，加粘土、氧化硅等粘結(jié)劑在1350～1400℃燒成。也可以將碳化硅加硅粉在電爐中氮氣氛下制成氮化硅－碳化硅制品。

碳質(zhì)制品的熱膨脹系數(shù)很低，導(dǎo)熱性高，耐熱震性能好，高溫強度高。在高溫下長期使用也不軟化，不受任何酸堿的侵蝕，有良好的抗鹽性能，也不受金屬和熔渣的潤濕，質(zhì)輕，是優(yōu)質(zhì)的耐高溫材料。缺點是在高溫下易氧化，不宜在氧化氣氛中使用。碳質(zhì)制品廣泛用于高溫爐爐襯（爐底、爐缸、爐身下部等）、熔煉有色金屬爐的襯里。石墨制品可以做反應(yīng)槽和石油化工的高壓釜內(nèi)襯。碳化硅與石墨制品還可以制成熔煉銅同金和輕合金用的坩堝。3

以鎂質(zhì)制品為代表。它含氧化鎂80%～85%以上， 以方鎂石為主晶相。生產(chǎn)鎂磚的主要原料有菱鎂礦、海水鎂砂由海水中提取的氫氧化鎂經(jīng)高溫煅燒而成）等。對堿性渣和鐵渣有很好的抵抗性。純氧化鎂的熔點高達2800℃,因此,鎂磚的耐火度較粘土磚和硅磚都高。20世紀(jì)50年代中期以來，由于采用了吹氧轉(zhuǎn)爐煉鋼和采用堿性平爐爐頂，堿性耐火材料的產(chǎn)量逐漸增加，粘土磚和硅磚的生產(chǎn)則在減少。堿性耐火材料主要用于平爐、吹氧轉(zhuǎn)爐、電爐、有色金屬冶煉以及一些高溫?zé)峁ぴO(shè)備。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李航 - 副教授 - 西南大學(xué)