航天信息材料.docx

航空或航天中的信息材料41445011 孙宇 物流1401信息材料属于功能材料，是为实现信息探测、传输、存储、显示和处理等功能使用的材料。信息处理材料是制造信息处理器件如晶体管和集成电路的材料。目前使用最多的是硅。按功能分，信息材料主要有以下几类。1.信息探测材料对电、磁、光、声、热辐射、压力变化或化学物质敏感的材料属于此类，可用来制成传感器，用于各种探测系统，如电磁敏感材料、光敏材料、压电材料等。这些材料有陶瓷、半导体和有机高分子化合物等多种。2.信息传输材料主要是光导纤维，简称光纤。它重量轻、占空间小、抗电磁干扰、通信保密性强，可以制成光缆以取代电缆，是一种很有发展前途的信息传输材料。3信息储材料包括：磁存储材料，主要是金属磁粉和钡铁氧体磁粉，用于计算机存；光存储材料，有磁光记录材料、相变光盘材料等，用于外存；铁电介质存储材料，用于动态随机存取存储器；半导体动态存储材料，目前以硅为主，用于内存。4.信息处理材料是制造信息处理器件如晶体管和集成电路的材料。目前使用最多的是硅。砷化镓也是一种重要的信息处理材料。本篇论文则着重介绍光纤材料、液晶材料、半导体材料，他们在航空航天中的应用以及其性能特点、制备方法等。首先作为航空航天材料，其必须要具备的性质为：1 优良的耐高低温性能：飞行器所经受的高温环境是空气动力加热、发动机燃气以及太空中太阳的辐照造成的。航空器要长时间在空气中飞行，有的飞行速度高达3倍音速,所使用的高温材料要具有良好的高温持久强度、蠕变强度、热疲劳强度，在空气和腐蚀介质中要有高的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，并应具有在高温下长期工作的组织结构稳定性。在航天技术领域中所涉及的高温环境往往同时包括高温高速气流和粒子的冲刷，这种条件下需要利用材料所具有的熔解热、蒸发热、升华热、分解热、化合热以及高温粘性等物理性能来设计高温耐烧蚀材料和发汗冷却材料以满足高温环境的要求。太阳辐照会造成在外层空间运行的卫星和飞船表面温度的交变，一般采用温控涂层和隔热材料来解决。低温环境的形成来自大自然和低温推进剂。2 耐老化和耐腐蚀：各种介质和大气环境对材料的作用表现为腐蚀和老化。航空航天材料接触的介质是飞机用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推进剂（如浓硝酸、四氧化二氮、肼类）和各种润滑剂、液压油等。其中多数对金属和非金属材料都有强烈的腐蚀作用或溶胀作用。在大气中受太阳的辐照、风雨的侵蚀、地下潮湿环境中长期贮存时产生的霉菌会加速高分子材料的老化过程。耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料应该具备的良好特性。3 适应空间环境：空间环境对材料的作用主要表现为高真空(1.3310帕)和宇宙射线辐照的影响。金属材料在高真空下互相接触时，由于表面被高真空环境所净化而加速了分子扩散过程，出现“冷焊”现象；非金属材料在高真空和宇宙射线辐照下会加速挥发和老化，有时这种现象会使光学镜头因挥发物沉积而被污染，密封结构因老化而失效。4 寿命和安全：为了减轻飞行器的结构重量，选取尽可能小的安全余量而达到绝对可靠的安全寿命，被认为是飞行器设计的奋斗目标。对于导弹或运载火箭等短时间一次使用的飞行器，人们力求把材料性能发挥到极限程度。为了充分利用材料强度并保证安全，对于金属材料已经使用“损伤容限设计原则”。这就要求材料不但具有高的比强度，而且还要有高的断裂韧性。在模拟使用的条件下测定出材料的裂纹起始寿命和裂纹的扩展速率等数据，并计算出允许的裂纹长度和相应的寿命，以此作为设计、生产和使用的重要依据。光纤材料性能特点：量轻传输频带极宽，通信容量很大。由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远。串扰小，信号传输质量高。光纤抗电磁干扰，保密性好。光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设。耐化学腐蚀。光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。光纤径细、重、柔软，易于铺设;光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性好，保真度高。应用情况：通信应用光导纤维可以用在通信技术里。1979年9月，一条33公里的120路光缆通信系统在北京建成，几年后上海、天津、武汉等地也相继铺设了光缆线路，利用光导纤维进行通信。多模光导纤维做成的光缆可用于通信，它的传导性能良好，传输信息容量大，一条通路可同时容纳数十人通话。可以同时传送数十套电视节目，供自由选看。利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。传感器应用光导纤维可以把阳光送到各个角落，还可以进行机械加工。计算机、机器人、汽车配电盘等也已成功地用光导纤维传输光源或图像。如与敏感元件组合或利用本身的特性,则可以做成各种传感器,测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色等。在能量传输和信息传输方面也获得广泛的应用。制备方法：目前通信中所用的光纤一般是石英光纤。石英的化学名称叫二氧化硅(SiO2)，它和我们日常用来建房子所用的砂子的主要成分是相同的。但是普通的石英材料制成的光纤是不能用于通信的。通信光纤必须由纯度极高的材料组成;不过，在主体材料里掺入微量的掺杂剂，可以使纤芯和包层的折射率略有不同，这是有利于通信的。制造光纤的方法很多，目前主要有：管内CVD(化学汽相沉积)法，棒内CVD法，PCVD(等离子体化学汽相沉积)法和VAD(轴向汽相沉积)法。但不论用哪一种方法，都要先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为光纤芯线。光纤的制造要求每道工序都要相称精密，由计算机控制。在制造光纤的过程中，要注重：光纤原材料的纯度必须很高。必须防止杂质污染，以及气泡混入光纤。要准确控制折射率的分布;正确控制光纤的结构尺寸;尽量减小光纤表面的伤痕损害，提高光纤机械强度。管棒法将内芯玻璃棒插入外层玻璃管中（尽量紧密），熔融拉丝；双坩埚法在两个同心铂坩埚内，将内芯和外层玻璃料分别放入内、外坩埚中；分子填充法将微孔石英玻璃棒浸入高折射率的添加剂溶液中，得所需折射率分布的断面结构，再进行拉丝操作，它的工艺比较复杂。在光导纤维通信中还可用内外气相沉积法等，以保证能制造出光损耗率低的光导纤维。太空融拉法将光纤的拉丝装置放到太空的微重力环境下去拉制，可以获得地球上无法得到的超长的高质量导光纤维。液晶材料性能特点：液晶材料 (Liquid CrySTal) 是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。液晶材料即具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性物质。液晶材料在液晶平面显示器的组成结构上所担任的角色是相当地重要。分为：1、近晶型(层状) ：棒状分子互相平行排列为层状结构，层间可相对滑动，而垂直层面方向的流动困难。其粘性最大。2、向列型液晶(线状)：分子长轴近似平行，分子质心无序，属一维有序状态，流体可以三维自由流动，黏度较小，单轴性。3、胆甾型液晶：以胆甾醇酯为主的一类液晶。分子的长轴平行于平面，由于手性的原因，层与层之间分子长轴不平行，有一固定夹角，这就使液晶相中分子排列整体呈螺旋型，完成一个循环时层间距离叫螺距。4、碟型：具有高对称性原状分子重叠组成之碟型或柱行系统 。且液晶材料耗能小、驱动电压低应用情况：利用液晶材料的电光效应显示器件各种感应器利用液晶的各向异性应用于化学作为有序溶剂在高分子纤维生产中的应用气相色谱固定液制备（条件）：胆固醇酯是一种具有液晶相的化合物，其在一定条件下,会随温度、磁场、电场、机械应力、气体浓度变化，而发生色彩的变化，可用于制作液晶温度计、气敏元件、电子元件、变色物质等，还可用于无损伤探伤、微波测量、治病诊断、定向反应等化学、化工、冶金、医学等领域。不仅如此，某些胆甾醇酯类化合物作为乳化剂等在食品、化妆品领域有重要应用。胆固醇酯类化合物可由羧酸与醇直接酯化反应制得，但传统的酸催化方法酯化收率很低，因此近来国内外开发了各种新方法，如酰氯酯化法、酸酐酯化法、二环己基碳二亚胺（DCC）脱水酯化法等,以及最近的酶催化酯交换法。其中#虽然酰氯酯化法应用最多，但存在原料酰氯需要现制现用、副产物HCl去除麻烦、整体合成路线长等问题。相比之下，DCC脱水缩合法合成胆甾醇酯类化合物，没有酸酐酯化法仅限于少量酸酐的局限，没有酯交换法需要制备其他低级醇酯的麻烦，而且其反应条件温和，产率通常比较高。但是，DCC脱水缩合法中常见的脱水促进剂，如4-吡咯烷基吡啶、4-二甲基吡啶（DMAP）、2,4,6-三甲基吡啶盐酸盐等，试剂的价格都比较昂贵。目前，DCC脱水缩合法合成胆固醇丙酸酯和胆固醇苯甲酸酯鲜见国内外文献报道，因此本文采取DCC作酯化反应的脱水剂,分别用DMAP和N,N-二甲基苯胺作除水促进剂研究胆固醇丙酸酯和胆固醇苯甲酸酯的合成，发现用廉价的N,N-二甲基苯胺作除水促进剂也可以合成胆固醇丙酸酯，虽然其产率不及DMAP，但有利于降低胆固醇丙酸酯合成成本。半导体材料性能特点：半导体材料是室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料。半导体五大特性掺杂性，热敏性，光敏性，负电阻率温度特性，整流特性。应用情况：在航空、航天等恶劣环境中有重要应用。现在的广播电台、电视台，唯一的大功率发射管还