太空材料

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太空材料

由於地面和空間環境有別，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域。

太空材料原理

利用特殊的空間資源，可以生產在地面上難以生產或生產效率很低的材料。微重力和超真空提供了製造純度極高的大塊半導體晶體的可能性。 [1]

單晶硅和砷化鎵之類的半導體晶體是電子工業的基礎。但地面上形成的半導體塊很小，且由於對流的影響，晶體的純度和均勻度都較差，使最後製成的集成電路塊的某些電路失效。在太空微重力環境下，因未受對流的干擾，形成的半導體晶體不僅塊大，而且均勻度極好，幾乎是無瑕的。電子與計算機工業的迅速發展，對高性能大規模集成電路的需求日益增加，科學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。

這種材料具有開關速度高、功耗低、溫度性能好、抗輻射性強並且具有能夠發出相干光的優點。大量生產高質量的砷化鎵看來只有在太空環境中才能實現。光學纖維作為信號載體已獲得了日益廣泛的應用。地面制的光纖存在着內應力的缺陷，雜質含量較大，從而對通信信號造成很大衰減。在地面上生產光學玻璃和陶瓷超導材料同樣不能得到滿意的結果。

在空間微重力環境下加工生產，通過改變材料成分和微結構，可以使其性能大為提高。微重力環境對防止晶化、消除雜質和損傷，以及在高溫下加工和表面處理具有深遠的意義。這些材料對於激光技術和激光器件、光學探測技術、紅外發射器技術、光纖通信技術、超導技術的發展將產生巨大的積極影響。聚苯乙烯微球在校準電子顯微鏡和濾光板、醫學診斷上有廣泛用途。在地面上進行聚合反應時，由於存在沉積作用和形成乳狀液現象，很難形成均勻的微球。而在太空環境中，直徑小於2微米和大於40微米的聚笨乙烯微球很容易製造。

主要用途

在太空中另一類重要的生產加工領域是合金和特種材料與產品。在微重力條件下利用混溶隙和汽相合金加工的方法，會形成新的合金結構和特性。在空間出現的凝固現象甚至還會改進合金系統的許多特性。在太空中還可以製造出性能優異的鑄件、超薄薄膜、高純材料、耐酸腐蝕材料、多性能材料（如可鍛鎢）等。太空工業化有可能使重要的高科技領域──材料科學發生革命性變化。 [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%以上的硅質製品，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，重複煅燒後體積不收縮，甚至略有膨脹；但其易受鹼性渣的侵蝕，抗熱震性差。硅磚主要用於焦爐、玻璃熔窯、酸性煉鋼爐等熱工設備。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%以上的剛玉製品是一種用途較廣的優質耐火材料。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。

碳質耐火材料有碳磚、石墨製品和碳化硅質製品，其熱膨脹系數很低，導熱性高，耐熱震性能好，高溫強度高，抗酸鹼和鹽的侵蝕，尤其是弱酸鹼具有較好的抵抗能力，不受金屬和熔渣的潤濕，質輕。廣泛用作高溫爐襯材料，也用作石油、化工的高壓釜內襯。

鹼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，對鹼性渣和鐵渣有很好的抵抗性，耐火度比粘土磚和硅磚高。主要用於平爐、吹氧轉爐、電爐、有色金屬冶煉設備以及一些高溫設備上。

在特殊場合應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；高溫複合材料，主要有金屬陶瓷、高溫無機塗層和纖維增強陶瓷等。

經常使用的耐火材料有AZS磚、剛玉磚、直接結合鎂鉻磚、碳化硅磚、氮化硅結合碳化硅磚,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、氧化鈹等耐火材料。

經常使用的隔熱耐火材料有硅藻土製品、石棉製品、絕熱板等。

經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、耐火塗料、輕質耐火澆注料、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合劑共同組成的不經成型和燒成而直接供使用的耐火材料。通常，對構成此種材料的粒狀料稱骨料，對粉狀料稱摻合料，對結合劑稱膠結劑。這類材料無固定的外形，可製成漿狀、泥膏狀和鬆散狀，因而也通稱為散狀耐火材料。用此種耐火材料可構成無接縫的整體構築物，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，可由各種材質製成。為了使這些耐火物料結合為整體，除極少數特殊情況外，一般皆加入適當品種和數量的結合劑。為改進其可塑性或減少用水量，可加入少量適當增塑減水劑，為滿足其他特殊要求，還可分別加入少量適當其他外加劑。

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的硅質製品，使用的原料有硅石、廢硅磚等。硅磚抗酸性爐渣侵蝕能力強，但易受鹼性渣的侵蝕，它的荷重軟化溫度很高，接近其耐火度，重複煅燒後體積不收縮,甚至略有膨脹,但是抗熱震性差。硅磚主要用於焦爐、玻璃熔窯、酸性煉鋼爐等熱工設備。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，屬於弱酸性耐火材料，對酸性爐渣有抗蝕性，用途廣泛，是生產量最大的一類耐火材料。

高鋁質製品中的主晶相是莫來石和剛玉，剛玉的含量隨着氧化鋁含量的增加而增高，含氧化鋁95%以上的剛玉製品是一種用途較廣的優質耐火材料。鉻磚主要以鉻礦為原料製成的，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製成的鉻鎂磚抗熱震性好，主要用作鹼性平爐頂磚。

碳質製品是另一類中性耐火材料，根據含碳原料的成分和製品的礦物組成，分為碳磚、石墨製品和碳化硅質製品三類。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。石墨製品(除天然石墨外)用碳質材料在電爐中經2500～2800℃石墨化處理製得。碳化硅製品則以碳化硅為原料，加粘土、氧化硅等粘結劑在1350～1400℃燒成。也可以將碳化硅加硅粉在電爐中氮氣氛下製成氮化硅－碳化硅製品。

碳質製品的熱膨脹係數很低，導熱性高，耐熱震性能好，高溫強度高。在高溫下長期使用也不軟化，不受任何酸鹼的侵蝕，有良好的抗鹽性能，也不受金屬和熔渣的潤濕，質輕，是優質的耐高溫材料。缺點是在高溫下易氧化，不宜在氧化氣氛中使用。碳質製品廣泛用於高溫爐爐襯（爐底、爐缸、爐身下部等）、熔煉有色金屬爐的襯裡。石墨製品可以做反應槽和石油化工的高壓釜內襯。碳化硅與石墨製品還可以製成熔煉銅同金和輕合金用的坩堝。 [3]

以鎂質製品為代表。它含氧化鎂80%～85%以上， 以方鎂石為主晶相。生產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高溫煅燒而成）等。對鹼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50年代中期以來，由於採用了吹氧轉爐煉鋼和採用鹼性平爐爐頂，鹼性耐火材料的產量逐漸增加，粘土磚和硅磚的生產則在減少。鹼性耐火材料主要用於平爐、吹氧轉爐、電爐、有色金屬冶煉以及一些高溫熱工設備。