目前的火箭引(yin)擎(qing)內部溫度可高達(da)1600℃,這樣(yang)的高溫足以融化鋼(gang)鐵。而未(wei)來(lai)(lai)的引(yin)擎(qing)甚至(zhi)需要達(da)到更(geng)高的溫度,因為(wei)更(geng)高溫的引(yin)擎(qing)意(yi)味(wei)著更(geng)高效,能產生更(geng)強推力,運載更(geng)多貨物(wu)——對火星探索飛船和(he)更(geng)好的飛機來(lai)(lai)說,這些性能也至(zhi)關(guan)重要。
為了讓火箭耐受更高的溫度,工程師發明了堅固且輕巧的碳化硅纖維復合材料,將比頭發絲還細的(de)碳(tan)化(hua)硅(gui)纖維鑲嵌在陶瓷介質中(zhong)。碳(tan)化(hua)硅(gui)能經(jing)受住(zhu)2000℃的(de)高溫,這(zhe)是新引(yin)擎(qing)的(de)理想溫度。目前(qian)這(zhe)種復合(he)材料的(de)制法(fa)是,將碳(tan)化(hua)硅(gui)纖維編織物分層,在空隙中(zhong)填充多孔(kong)的(de)陶瓷。不(bu)過這(zhe)種令人驚嘆(tan)的(de)復合(he)材料在引(yin)擎(qing)的(de)高壓下會開裂,因為纖維之間會滑動(dong),并把陶瓷擠出去。
美國萊斯大(da)學(RiceUniversity)和美國航空航天局格倫研究(jiu)中(zhong)心(NASAGlennResearchCenter)的(de)(de)科學家對(dui)此進(jin)行(xing)了改進(jin)。他(ta)們(men)制造了“毛(mao)茸(rong)茸(rong)”的(de)(de)碳(tan)化硅纖維(wei),其表面(mian)就(jiu)像尼(ni)龍(long)搭(da)扣的(de)(de)微觀版本。近期的(de)(de)《應用材料與界(jie)面(mian)》(AppliedMaterials&interfaces)上報(bao)道(dao)了這(zhe)種(zhong)纖維(wei),它們(men)的(de)(de)絨(rong)毛(mao)互相纏結,將彼此牢牢鎖住,如此一來纖維(wei)就(jiu)很難滑動,不會陶(tao)瓷(ci)材料擠(ji)出。
為了制造這(zhe)種材料,研究(jiu)者(zhe)首先在(zai)碳化(hua)硅(gui)表(biao)面(mian)培(pei)養(yang)出卷(juan)曲(qu)的(de)(de)碳納(na)米管(guan),就像卷(juan)發一樣。然后他們使(shi)這(zhe)些纖維(wei)蘸上超細硅(gui)粉,并進行加熱。這(zhe)使(shi)碳納(na)米管(guan)轉化(hua)成了碳化(hua)硅(gui)纖維(wei)。研究(jiu)團隊(dui)(dui)將這(zhe)些絨毛(mao)纖維(wei)填入透明(ming)的(de)(de)、富有(you)彈性(xing)的(de)(de)塑料中,以測試(shi)它們的(de)(de)強(qiang)(qiang)度。結果顯示(shi)絨毛(mao)纖維(wei)的(de)(de)強(qiang)(qiang)度是(shi)光滑(hua)纖維(wei)的(de)(de)4倍(bei)。NASA工程(cheng)師(shi)、研究(jiu)的(de)(de)合作(zuo)者(zhe)珍妮特·郝斯特(JanetHurst)稱,研究(jiu)團隊(dui)(dui)目前想測試(shi)新的(de)(de)卷(juan)曲(qu)纖維(wei)在(zai)陶瓷介(jie)質(zhi)中的(de)(de)表(biao)現。他們還想用(yong)卷(juan)曲(qu)的(de)(de)氮化(hua)硼納(na)米管(guan)覆蓋纖維(wei)的(de)(de)表(biao)面(mian),因(yin)為氮化(hua)硼除(chu)了強(qiang)(qiang)韌,還能抵(di)抗氧氣對(dui)纖維(wei)的(de)(de)損害。
碳化硅纖維(wei)非常強韌(ren),不(bu)容易橫向折斷,但在(zai)高壓下可能會縱向裂開(kai)。康涅狄(di)格大學(xue)(UniversityofConnecticut)材(cai)料科學(xue)研究所的(de)主任史蒂文(wen)·蘇波(bo)(StevenSuib,未(wei)參(can)與這項研究)認為(wei)(wei),新的(de)纖維(wei)能夠耐受(shou)這種損傷,因(yin)為(wei)(wei)那(nei)些(xie)軟軟的(de)絨毛能夠分散壓力(li)。