兰博基尼的碳纤维复合材料将在国际空间站上进行测试

据外媒New Atlas报道,用于植入物或假体的材料通常是非常坚韧的。意大利汽车制造商兰博基尼(Lamborghini)生产的碳纤维复合材料也许可以胜任这项工作,该公司样品将很快被送往国际空间站-在恶劣的外太空条件下进行测试。

几年前,兰博基尼汽车公司与位于德克萨斯州的休斯顿卫理公会研究所就展开合作,前者将向后者提供生物医学设备用材料开发方面的技术专长。这项研究还可能导致可以用于其他应用的材料,例如建造更具弹性的航天器或更轻、更坚固的汽车。

现在兰博基尼公司已经宣布,作为这项努力的一部分,其制造的材料样品将在11月2日之前通过诺斯罗普·格鲁曼的Antares火箭将从弗吉尼亚州的Wallops飞行基地发射升空,被运送到国际空间站。

ISS美国国家实验室的科学家将在六个月的时间内对这些样品进行一系列实验,使它们暴露于“太空环境引起的极端压力”。这些应力将包括温度波动范围(从零下40oC到200oC),外层空间的绝对真空,以及暴露于大量辐射(以紫外线和伽马射线的形式)和腐蚀性原子氧中。

样品随后返回地球后,兰博基尼和休斯顿卫理公会的研究人员将它们与留在实验室中的相同样品进行比较,评估其化学、物理和机械性能的下降程度。

测试将对总共五个由不同碳纤维复合材料制成的小样本进行。其中将是一种3D打印的“连续纤维”复合材料。据报道,该复合材料具有极高的柔韧性和相当于优质铝的机械性能;在这家汽车制造商的Sesto Elemento限量版超级跑车中引入的不连续纤维复合材料;以及由预浸渍了环氧树脂的高压灭菌聚合物织物制成的复合材料。

休斯顿卫理公会的首席研究员Alessandro Grattoni博士表示:“低地球轨道的环境条件使我们能够评估碳纤维材料在极端条件下的性能和坚固性。这是一个可以了解它们的特性和特征的独特环境,希望有一天能开发出可在地球和太空中使用的技术和设备。”

材料辐照效应

材料辐照效应是射线粒子(中子、质子、重离子、电子、Gamma射线)与材料物质相互作用造成的材料物理、力学位能及组织成分与结构上的变化。材料辐照效应来自于入射到材料中的射线粒子与材料原子的相互作用,包括碰撞过程、缺陷形成过程和微观结构演化过程。材料辐照效应随射线的种类、能量、材料性质和辐照环境(温度、应力等)不同而变化。

在晶体中,辐照产生的各种缺陷一般称为辐照损伤(irradiation damage)。入射粒子与晶格原子碰撞,传递给靶原子的动能超过离位阈能(晶格点阵位置的束缚能)时,原子便可离开晶格位置,称为离位,造成的损伤称为离位损伤。对于金属材料,最简单的辐照缺陷是孤立的点缺陷,即弗仑克尔缺陷对(由一个离位原子变为间隙原子以及离位后的晶格空位组成)。直接被入射粒子碰撞产生离位的原子称为初级离位原子(PKA),如果初级离位原子具有足够的动能,能够继续碰撞其他晶格原子,称为级联碰撞。一般情况下,中子与重离子辐照会造成级联碰撞,一个入射粒子辐照会在很小的体积内产生数百个弗仑克尔缺陷对。在一定温度下,间隙原子和空位可以迁移,从而彼此复合,或扩散到位错、晶界或表面等处而湮没,也可聚集成空位团或形成位错环。离位损伤可造成材料辐照硬化、辐照脆化、辐照蠕变和辐照肿胀。辐照缺陷还改变材料中原子扩散行为,并促使一系列由扩散控制或影响的过程加速进行,导致溶解,沉淀,偏聚等非平衡态。

在中子或者高能质子辐照情况下,核反应会产生嬗变核素。在反应堆中子辐照情况下,由于(n,p)和(n,Alpha)反应,造成材料中氢和氦增加,氢氦与离位损伤的共同作用,往往导致材料损伤更严重。

对于某些材料如高分子聚合物,陶瓷或硅酸盐等,另一类损伤,即电离损伤也很重要。入射粒子的另一部分能量转移给材料中的电子,使之激发或电离。这部分能量可导致健的断裂和辐照分解,相应的引起材料强度丧失,介电击穿强度下降等现象。