天文太空

碳化矽纖維助火箭升空

類似魔鬼氈的纖維能讓火箭引擎耐受高溫,太空船更有機會航向火星。

撰文/巴特爾(Prachi Patel)
翻譯/鍾樹人

天文太空

碳化矽纖維助火箭升空

類似魔鬼氈的纖維能讓火箭引擎耐受高溫,太空船更有機會航向火星。

撰文/巴特爾(Prachi Patel)
翻譯/鍾樹人


今日火箭引擎內部的溫度可高達1600℃,足以融化鋼,未來的引擎應該會更火熱。更熱的引擎代表能源效率更高,能產生更大的推力,也能提供更大的裝載量──對於要航向火星的太空船與先進飛機來說,這些都是關鍵。


為了使引擎更能耐受高溫,工程師一直嘗試設計出堅固且輕量的複合材料:材質是比人類頭髮還細的碳化矽(SiC)纖維,並嵌入陶瓷材料裡。碳化矽可耐受2000℃,這是未來引擎變得更熱時會達到的溫度。現今複合材料由層層交織的碳化矽纖維製成,並以多孔陶瓷填補空隙。但當引擎內部產生高壓時,目前的複合材料可能會破裂,因為彼此緊靠的纖維會滑動,並與陶瓷分離。


美國航太總署(NASA)葛倫研究中心與萊斯大學的科學家可能有所突破,他們研發出「毛茸茸」的碳化矽纖維,表面就像極微小的魔鬼氈。研究成果最近發表於《應用材料與介質》,論文中提到這種纖維比較不會滑動或是與周圍的陶瓷介質分離,因為毛茸茸的纏繞構造把它們鎖在一起。


為了製造這種纖維,研究人員先讓捲曲的奈米碳管(carbon nanotube)像捲髮一樣從碳化矽的表面長出來,之後他們把纖維浸到超細的矽粉裡,接著加熱讓奈米碳管變成碳化矽纖維。研究人員把這種毛茸茸的纖維嵌進有彈性的透明聚合物以測試其強度,他們發現,這些複合材料的強度比由平滑纖維構成的複合材料高四倍。


NASA的研究工程師赫斯特(Janet Hurst)是論文共同作者,她說研究團隊現在想要在陶瓷介質裡測試新的毛茸茸纖維,他們也想用毛茸茸的氮化硼(BN)奈米管塗層來製作纖維,因為這種材料強度夠,能保護纖維不因暴露於氧氣中而損壞。


在高壓下,碳化矽纖維的縱向強度夠,卻可能在橫向上無法承受而折斷。康乃狄格大學材料科學研究所所長蘇伊布(Steven Suib)沒有參與此研究,不過他評論,這種新的纖維應該能抗破損,因為柔軟的絨毛能幫忙分散壓力,使之消散於無形。


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