周亦人，沈自才，齊振一，薛玉雄，賀洪波，王胭脂

(1 南昌理工學(xué)院，南昌 330044；2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；3 中國科學(xué)院 上海硅酸鹽研究所，上海 201899；4 揚州大學(xué) 電氣與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127；5 中國科學(xué)院 上海光學(xué)精密機械研究所，上海 201800)

近年來，我國航天事業(yè)實現(xiàn)了快速發(fā)展，以載人航天、深空探測、二代導(dǎo)航、高分辨率對地觀測和新一代運載火箭為代表的一系列航天重大科技工程取得了突破性進展[1]，“天問一號”實現(xiàn)了火星探測之旅，“嫦娥五號”實現(xiàn)了月球的取樣返回，“北斗三號”成功實現(xiàn)了全球組網(wǎng)，實現(xiàn)了我國航天技術(shù)整體水平的大幅度躍升，空間應(yīng)用的經(jīng)濟與社會效益顯著提高，空間科學(xué)也取得了一系列創(chuàng)新性成果。

隨著航天科技的發(fā)展和空間探測任務(wù)的不斷推進，我國將持續(xù)開展空間站建設(shè)、深空探測以及新型空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等一系列航天活動。航天器也將面臨新任務(wù)、新軌道和新環(huán)境的考驗，尤其是惡劣輻射環(huán)境對航天器結(jié)構(gòu)及功能材料的考驗[2]，從而對航天器的在軌安全和可靠性帶來嚴(yán)重威脅[3]。新的空間任務(wù)的逐步開展和航天器長壽命、高可靠的要求對航天器材料提出了新的需求。同時，材料基因工程的應(yīng)用也為航天新材料的開發(fā)和研制帶來了新的機遇[4-5]。

本文將在分析國內(nèi)航天科技的發(fā)展趨勢和所面臨的挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，進一步分析中國航天科技發(fā)展對高性能航天材料的需求，并提出航天材料工程的發(fā)展趨勢，以期為后續(xù)航天任務(wù)的成功開展提供理論支撐。

1 中國航天科技發(fā)展的趨勢及其對航天材料的挑戰(zhàn)

自“東方紅一號”衛(wèi)星發(fā)射成功以來，我國已經(jīng)研制并發(fā)射了近300顆衛(wèi)星或航天器，形成了通信、導(dǎo)航、氣象、海洋、資源、環(huán)境、載人航天、深空探測、科學(xué)實驗等多個衛(wèi)星系列[1]，尤其是以北斗系列衛(wèi)星為代表的航天器，實現(xiàn)了由單星試用向體系化和長期穩(wěn)定業(yè)務(wù)運行轉(zhuǎn)變。

1.1 中國航天科技發(fā)展的趨勢

在已經(jīng)取得系列重大成果的基礎(chǔ)上，我國在未來一段時期還將圍繞國家安全和科技、經(jīng)濟、社會發(fā)展的戰(zhàn)略需求，進一步建設(shè)和完善長期、穩(wěn)定、可靠運行的空間基礎(chǔ)設(shè)施，推進實施以空間站建設(shè)、載人深空等為代表的國家重大工程任務(wù)的實施，實現(xiàn)從航天大國向航天強國邁進的宏偉目標(biāo)。

未來中國航天發(fā)展的主要趨勢包括：(1)進一步探索和認(rèn)識宇宙空間及利用宇宙資源；(2)建設(shè)功能完備、技術(shù)先進、長期穩(wěn)定運行的空間基礎(chǔ)設(shè)施；(3)加強新材料、新器件、新技術(shù)等高新科技成果在航天上的應(yīng)用；(4)加強基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，提升中國航天原始創(chuàng)新的能力；(5)重視國際合作，為人類命運共同體貢獻力量。

1.2 中國航天科技發(fā)展對航天材料的挑戰(zhàn)

隨著一系列新型探測器、新的探測任務(wù)、新的運載平臺等得到研制和開發(fā)，航天器將面臨與已有航天任務(wù)不同的威脅和挑戰(zhàn)，這就對航天材料提出了更高或新的要求和需求，主要包括：

(1)航天器的長壽命、高可靠需求對航天材料性能提出了更高要求

隨著新的航天任務(wù)的開展，航天器將面臨長期在軌和復(fù)雜空間環(huán)境的多重考驗：一是航天器的在軌壽命要求更高，如地球同步軌道航天器的在軌壽命要提高到15～20年，甚至更長；二是深空探測器將面臨高低溫、強輻射帶、極夜、塵暴等極端環(huán)境的考驗，要求其具有長期自主運行和生存的能力；三是航天器應(yīng)具有應(yīng)對人為瞬態(tài)惡劣環(huán)境的能力。這就要求航天材料一方面能夠耐受更長在軌周期的惡劣環(huán)境考驗，另一方面也對航天材料能夠適應(yīng)極端空間環(huán)境尤其是能夠適應(yīng)瞬態(tài)惡劣環(huán)境提出了新的需求。

(2)新型航天器或新型結(jié)構(gòu)帶來了新型航天材料的需求

近年來，一些新型航天器和新型航天結(jié)構(gòu)得到開發(fā)和應(yīng)用：一是新型航天器結(jié)構(gòu)機構(gòu)和平臺得到開發(fā)并逐步應(yīng)用，如桁架式平臺、充氣結(jié)構(gòu)、可展收結(jié)構(gòu)等；二是航天器向著微小型化方向發(fā)展，微小衛(wèi)星、皮衛(wèi)星、納衛(wèi)星等得到越來越多的應(yīng)用；三是航天器結(jié)構(gòu)機構(gòu)的高度集成化和一體化，如空間服務(wù)與維護裝置、月球車、火星車等。新型空間設(shè)施的開發(fā)和應(yīng)用，一方面需要開發(fā)研制新的應(yīng)用平臺的新材料，另一方面針對高度集成化一體化的需求開展新的結(jié)構(gòu)和工藝材料如3D打印材料的研究，第三則是針對皮納衛(wèi)星開展高性能電子材料的研究與開發(fā)。

(3)新的航天器軌道環(huán)境及效應(yīng)要求航天材料能夠滿足新的極端環(huán)境

新的航天任務(wù)將使航天器遭遇與以前不同軌道環(huán)境的考驗，例如MEO軌道的輻射環(huán)境比GEO軌道和LEO軌道更加嚴(yán)酷，臨近空間及亞軌道將存在臭氧、中高層大氣、風(fēng)場、冰晶、藍(lán)色閃電等，深空探測將遭遇行星際及深空極端環(huán)境，如地外行星探測面臨的極端低溫、金星表面的酸性大氣、火星的塵暴、木星強磁場與強輻射帶等。這些空間環(huán)境給航天材料帶來新的挑戰(zhàn)，需要研究和開發(fā)能夠滿足新的極端空間環(huán)境的航天新材料。

(4)人的長期在軌駐留要求航天材料具有多功能復(fù)合防護特性

從 “神舟五號”飛船開始，中國已經(jīng)實現(xiàn)了航天員的在軌短期駐留。隨著我國空間站建設(shè)的逐步完成和未來載人深空基地的規(guī)劃開展，航天員或?qū)崿F(xiàn)長期在軌駐留。由于惡劣的空間輻射環(huán)境、有限的活動空間等，要求極端空間天氣或出艙活動情況下的航天員應(yīng)急救援艙或出艙航天服材料具有多功能復(fù)合防護特性。

(5)商業(yè)航天和低成本衛(wèi)星的大量應(yīng)用要求航天材料具有更好的空間環(huán)境耐受性

隨著商業(yè)航天的蓬勃發(fā)展，COTS器件在航天器上逐漸得到越來越多的應(yīng)用。商業(yè)航天和低成本衛(wèi)星的發(fā)展也帶來了航天器可靠性的降低，一方面如何兼顧航天器的低成本和相對較高的可靠性，另一方面，越來越多的低成本微納衛(wèi)星可能會帶來越來越多的空間垃圾，這就要求用于低成本衛(wèi)星的航天材料具有更好的空間環(huán)境耐受性，同時兼顧結(jié)構(gòu)和功能，即結(jié)構(gòu)功能的一體化。

2 航天科技對高性能材料的需求

新的航天任務(wù)的開展和空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)使航天器面臨著結(jié)構(gòu)體積大、空間環(huán)境惡劣、在軌周期長等挑戰(zhàn)，對航天材料也就相應(yīng)地提出了更高性能的要求。

2.1 輕質(zhì)高性能結(jié)構(gòu)機構(gòu)材料

以空間站和深空基地為代表的大型空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，要求其在軌結(jié)構(gòu)承載能力達(dá)到百噸以上。尤其是未來的載人深空探測任務(wù)，要求空間基礎(chǔ)設(shè)施的長度達(dá)到10 m甚至更長，這就導(dǎo)致航天器的質(zhì)量較大，從而給運載帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。為此，在保證航天器結(jié)構(gòu)機構(gòu)力學(xué)性能的前提下，如何減輕航天器的質(zhì)量是亟須解決的難題[6-7]。

航天器傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)機構(gòu)材料通常為鋁合金，也有鈦合金、鎂合金等[8]。如何通過合金優(yōu)化，如2195鋁鋰合金，具有較高的模量，可達(dá)78 GPa，相較于鋁合金，質(zhì)量減輕10%～15%,結(jié)構(gòu)剛度提高15%～20%。同時也可以開發(fā)金屬基或非金屬基復(fù)合材料，以實現(xiàn)高比剛度、高比強度、匹配的熱膨脹系數(shù)和良好的加工特性。新型的鎂鋰合金材料，可以實現(xiàn)比鋁合金減重40%～50%，比一般鎂合金減重20%～30%，可以大幅度減輕衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時也能滿足承載能力和空間環(huán)境適應(yīng)性的需求。未來新型鋁鋰合金、鋁鈧合金、鋁鎂合金的開發(fā)以及在航天工程的應(yīng)用是重要的發(fā)展方向[9]。

另外，結(jié)構(gòu)尺寸大不但造成質(zhì)量增加，也造成體積增大。因此，如何能夠減輕質(zhì)量和減小發(fā)射體積也是需要迫切解決的技術(shù)難題。柔性結(jié)構(gòu)材料，在發(fā)射時處于折疊或壓縮狀態(tài)，在發(fā)射后實現(xiàn)在軌展開和結(jié)構(gòu)固化，是有效解決質(zhì)量大和發(fā)射體積大的途徑[10-11]。如充氣展開式太陽電池陣[12]可以利用充氣式柔性結(jié)構(gòu)在軌展開后材料能夠硬化，從而具有一定的剛度。質(zhì)量輕可以降低運載的負(fù)擔(dān)，柔性既實現(xiàn)發(fā)射體積的減小，也能實現(xiàn)在軌大面積的展開，期望的面密度是低于0.04 kg/m2。同時要求柔性材料能夠具有氣密性好、已鋼化、耐高低溫、抗輻射，尤其是具有抗紫外線輻射的能力。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計上，材料結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計是減輕結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量的有效方式，也可以有效降低結(jié)構(gòu)的部件數(shù)量，最高可達(dá)30%以上。同時，通過材料的梯度設(shè)計，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的熱匹配功能的改進。

復(fù)合材料在航天器結(jié)構(gòu)和機構(gòu)中占有十分重要的地位，包括樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及碳/碳復(fù)合材料等[13]，尤其是碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料、芳綸增強樹脂基復(fù)合材料，由于其優(yōu)異的性能在航天器的結(jié)構(gòu)機構(gòu)中有著越來越廣泛的應(yīng)用[14-15]。但如何進一步提高復(fù)合材料的性能及其空間環(huán)境適應(yīng)性是需要進一步研究的方向[12]。

2.2 輕質(zhì)高效熱管理材料

航天器工程中，熱管理材料包括熱防護、熱控制、傳熱導(dǎo)熱等材料。

2.2.1 熱防護材料

熱防護材料的需求主要來自兩個方面：一是航天器在軌運行過程中的極端溫度，尤其是地內(nèi)行星如金星、水星的極端高溫和地外行星如天王星的極端低溫[16]，如金星、水星的表面溫度可以達(dá)到約460 ℃，而天王星的溫度則低至-210 ℃；二是航天器再入過程中的極端燒蝕高溫[17]，最高可以達(dá)到1000 ℃以上。目前的熱防護主要采用的是隔熱多層材料，而再入返回則是利用材料的燒蝕帶走熱量的原理來實現(xiàn)對航天器的熱防護。

當(dāng)航天器尤其是可重復(fù)使用航天器[18]在再入大氣層后，其再入速度可達(dá)到8 km/s，深空探測再入速度可達(dá)11 km/s，最大熱流密度可達(dá)到6 MW/m2，再入時間可達(dá)到900 s。同時，再入過程具有再入表面積大、速度快、力學(xué)沖擊大、周期長等特點。因此，要求耐高溫?zé)g防熱材料具有尺寸穩(wěn)定性好、絕緣性高、耐熱性好、耐化學(xué)侵蝕、低毒等特性?？梢詫⒉牧系臒g功能和航天器的結(jié)構(gòu)功能進行一體化設(shè)計，研制結(jié)構(gòu)燒蝕一體化材料，實現(xiàn)航天器減重的目的，同時也能夠具備良好的耐燒蝕性能。尤其是低密度樹脂基燒蝕防熱材料是未來重要的熱燒蝕材料之一[19]。

采用耐高溫材料進行再入飛行器殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時兼顧再入過程中的防熱功能和承載功能，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，改善單一防熱結(jié)構(gòu)和承載結(jié)構(gòu)的變形匹配性與制造工藝性，是結(jié)構(gòu)燒蝕一體化材料的發(fā)展方向[20-21]。C/C和C/SiC復(fù)合材料是宇宙輸送系統(tǒng)飛行器前端部位熱防護系統(tǒng)的最佳材料選擇，采用多層抗氧化涂層、超高溫陶瓷(ultra-high temperature ceramic,UHTC)涂層等是提高其在高溫環(huán)境下長期使用的有效途徑。多層UHTC涂層、納米級UHTC顆粒、火花等離子燒結(jié)及碳?xì)饽z填充碳泡沫新型熱防護結(jié)構(gòu)等在高溫?zé)岱雷o材料方面已顯現(xiàn)出實際應(yīng)用方向[22]。

新型氣凝膠防熱材料，其最高使用溫度可以達(dá)到1200 ℃，同時具有良好的柔韌包覆性能，兼顧抗壓強度可以達(dá)到1.2 MPa[17]，已成為未來重要的發(fā)展方向。

2.2.2 熱控制材料

傳統(tǒng)熱控材料通常為被動熱控材料，如航天器表面的玻璃二次表面鏡、薄膜二次表面鏡、陽極氧化涂層等。但如何根據(jù)航天任務(wù)的需求，研制具有合適太陽吸收率和熱發(fā)射率比值的熱控材料是一個重要的攻關(guān)方向。同時，開展智能熱控材料研究，實現(xiàn)按需調(diào)控溫度，有效解決功率和溫度調(diào)控能力之間的矛盾，解決熱控分系統(tǒng)的質(zhì)量限制，是未來的重要發(fā)展方向。

隨著飛行器速度的進一步提高以及對可重復(fù)使用飛行器的需求,尤其是針對高超聲速飛行器，采用主動冷卻技術(shù)是有效降低再入端溫度、減小航天器結(jié)構(gòu)質(zhì)量的有效方式,因此，采用何種材料、何種結(jié)構(gòu)是未來進一步發(fā)展的方向，如圖1所示[23]。

圖1 主動冷卻熱防護方法[23](a)發(fā)汗冷卻；(b)對流冷卻；(c)噴霧冷卻Fig.1 Active cooling thermal protection method[23](a)sweat cooling;(b)convection cooling;(c)spray cooling

2.2.3 傳熱導(dǎo)熱材料

航天器傳熱導(dǎo)熱普遍使用的材料和技術(shù)主要包括熱管技術(shù)、對流換熱熱沉、擴熱板均溫技術(shù)、低熱阻導(dǎo)熱填料等。隨著微電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用和集成化的提高，傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料如銅、鋁等受到質(zhì)量和導(dǎo)熱率的限制，因此，亟須開發(fā)具有更高傳熱導(dǎo)熱性能的材料。以金屬基復(fù)合材料、金剛石基復(fù)合材料、高導(dǎo)熱泡沫炭和石墨烯以及高導(dǎo)熱C/C復(fù)合材料等為代表的新型高傳熱導(dǎo)熱材料，在具備良好功能如結(jié)構(gòu)機構(gòu)功能的同時，也具有較高的傳熱導(dǎo)熱能力。如高導(dǎo)熱碳膜類材料，由于具有質(zhì)量輕、尺寸穩(wěn)定性好、熱和化學(xué)穩(wěn)定性好以及熱和電傳導(dǎo)系數(shù)高等特點，在空間軍事偵察、全球?qū)Ш?、地質(zhì)勘查測繪等領(lǐng)域熱管理系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景[24]，可以應(yīng)用于航天器相機鏡筒散熱面、星敏的熱管理等。高導(dǎo)熱泡沫炭[25]作為一種石墨化多孔炭材料，具有各向同性的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能，而且輕質(zhì)、易加工，熱導(dǎo)率更是最高可達(dá)1200 W·m-1·K-1。

2.3 結(jié)構(gòu)功能一體化材料

航天器的結(jié)構(gòu)機構(gòu)材料在研制的過程中，可以根據(jù)使用位置，對其進行功能一體化改進，使其具備除結(jié)構(gòu)機構(gòu)外的其他性能。主要包括結(jié)構(gòu)與熱控的功能一體化、結(jié)構(gòu)與輻射防護的功能一體化、結(jié)構(gòu)與空間碎片防護的功能一體化、透波多功能材料[26]等。如航天器外露的天線材料在具備結(jié)構(gòu)機構(gòu)功能的同時，對其進行陽極化處理或者在其表面涂覆熱控材料，使其保持結(jié)構(gòu)特性的同時，具備溫度控制的能力[27]。航天材料及工藝研究所帶頭完成的“多功能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料集成技術(shù)”項目設(shè)計了具有多項功能的復(fù)合材料,實現(xiàn)了多項功能技術(shù)的高效集成,使結(jié)構(gòu)減重達(dá)到35%,已在多個型號產(chǎn)品上有所應(yīng)用[28]。

美國空軍研究實驗室Chien等[29]研制的Techsat 21 衛(wèi)星采用集熱控組件、信號電纜和供電電纜等于一體的多功能結(jié)構(gòu)，在滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)承載和熱控性能的條件下明顯減輕了衛(wèi)星的整體質(zhì)量。

“深空1號”衛(wèi)星利用高熱導(dǎo)率多層Cu/PI復(fù)合材料板為基板，金屬芯子中埋置導(dǎo)熱器件，將柔性電路埋置于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而使多芯片模塊的輸入和輸出電路得以高度集成，實現(xiàn)了集電子器件-承載-熱防護于一體的多功能結(jié)構(gòu)，如圖2所示[30]。

圖2 電子器件與熱防護、輻射防護和承載結(jié)構(gòu)一體化[30]Fig.2 Integration of electronic devices and thermal protection, radiation protection and load bearing structure[30]

2.4 新型多功能復(fù)合防護材料

空間粒子輻射是造成航天器在軌故障的主要來源，因此，需要對航天器進行輻射防護設(shè)計。通常認(rèn)為，通過增加質(zhì)量屏蔽厚度可以實現(xiàn)對高能帶電粒子尤其是質(zhì)子和重離子的防護。但隨著質(zhì)量屏蔽厚度的增加，輻射防護的效果逐漸降低，其主要原因是帶電粒子與材料作用產(chǎn)生的韌致輻射逐漸增加。為此，可以通過采用高原子序數(shù)的材料與低原子序數(shù)的材料來制備復(fù)合防護材料，利用高原子序數(shù)材料實現(xiàn)對帶電粒子尤其是質(zhì)子和重離子的防護，利用低原子序數(shù)材料尤其是氫元素來實現(xiàn)對中子的防護，從而達(dá)到最優(yōu)的防護效果[31]。

同時，開展空間碎片防護可能要用到多種防護材料和結(jié)構(gòu)[32]，例如可能用到玄武巖、合金材料、有機纖維材料等，這些材料和結(jié)構(gòu)在提供空間碎片防護的同時，也對空間輻射及其可能產(chǎn)生的韌致輻射提供了很好的輻射防護。利用點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計的多層防碎片結(jié)構(gòu)[33]，如圖3所示，在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載、空間碎片防護、有效載荷支撐的功能下，還能實現(xiàn)液體存儲與防輻射的功能。該多功能結(jié)構(gòu)的撞擊極限比等面密度雙層板撞擊極限至少提高了38%。因此，能夠同時實現(xiàn)多種空間環(huán)境防護的新型復(fù)合防護材料和防護結(jié)構(gòu)是未來的發(fā)展方向[34]。

1-inner layer;2-dense lattice layer;3-middle layer;4-sparse lattice layer;5-outer layer圖3 多功能點陣結(jié)構(gòu)示意圖[33]Fig.3 Schematic diagram of multifunctional lattice structure[33]

2.5 耐極端溫度功能材料

航天器在軌運行過程中，可能遭遇極端溫度環(huán)境，例如地內(nèi)行星探測或者再入過程中(燒蝕材料除外)，存在較高的使用溫度，或者在背陽面時存在極端的低溫，或者有連續(xù)的極端溫度交變。主要需求包括耐極端高溫或低溫的潤滑材料、膠黏材料、絕緣材料等。

深空探測機構(gòu)間的潤滑材料[35]，在極端溫度下的固體潤滑涂層耐磨性相對較差，而油脂類潤滑材料難以突破-70 ℃凝點溫度，造成機構(gòu)運動負(fù)載增大。因此，需要開展耐磨性固體潤滑表面技術(shù)、低凝固點油/脂體系以及結(jié)構(gòu)潤滑一體化材料技術(shù)。

航天器再入艙結(jié)構(gòu)與外部隔熱層之間通常用膠黏劑粘接，在航天器再入過程中，膠黏劑的溫度可能高達(dá)500 ℃以上，持續(xù)時間甚至可達(dá)30 min以上，這就需要膠黏劑在高溫下能夠長時間保持良好的黏結(jié)特性。例如，氰酸酯膠黏劑對于極限高溫和極限低溫環(huán)境具有較好的耐受性[36]，有望在深空探測器蜂窩芯結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料等結(jié)構(gòu)件的粘接中發(fā)揮重要作用。

太陽電池片通常使用蓋片膠來實現(xiàn)太陽電池與玻璃蓋片的連接，航天器在軌運行過程中，上千次的溫度交變(-180～200 ℃)，要求膠黏劑粘接強度變化率小于10%，與被粘接表面具備匹配的膨脹系數(shù)，無蓋片裂及電池裂，無脫落、仍保持透明性[37]。

2.6 智能材料

隨著材料技術(shù)的進步，智能材料尤其是智能自修復(fù)材料、智能調(diào)控材料等在航天工程中有望得到越來越多的應(yīng)用[38-41]。

智能自修復(fù)材料是指航天器發(fā)生結(jié)構(gòu)或材料出現(xiàn)損傷的情況下可以自主修復(fù)的材料。航天器尤其是載人航天器運行過程中，一旦發(fā)生空間碎片撞擊造成的穿孔可能會引發(fā)嚴(yán)重的在軌安全事故，例如發(fā)生載人艙壓力的急劇下降。為此，可以開發(fā)一種裂紋捕獲型智能材料，基本結(jié)構(gòu)層為功能梯度材料，其結(jié)構(gòu)是由極細(xì)的高熔點金屬相呈梯度分散在基體相中構(gòu)成熱阻合金，當(dāng)與空間碎片發(fā)生碰撞時，由于受到熱能和震動波的沖擊，熱阻合金會瞬間產(chǎn)生相變來吸收能量，阻止裂紋的擴展和碎片的穿透。

光催化聚合物自修復(fù)材料，是指當(dāng)聚合物基體出現(xiàn)斷裂時，斷裂面會釋放出“光敏單體”，在光催化作用下，該單體可以再次交聯(lián)固化，從而實現(xiàn)聚合物的自修復(fù)。

智能調(diào)控材料是指根據(jù)航天任務(wù)的開展而適應(yīng)周圍環(huán)境的變化進行自動調(diào)節(jié)控制的材料[17]。例如智能熱控材料、4D打印材料等。尤其是4D打印材料，可以通過地面進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的預(yù)制作，在軌根據(jù)適用的環(huán)境進行結(jié)構(gòu)變化，從而實現(xiàn)擬設(shè)計的結(jié)構(gòu)和功能。電致變色熱控材料熱發(fā)射率在加電的情況下可以從0.06提高到0.77甚至達(dá)到更高范圍[42]。但如何實現(xiàn)不同類型的智能調(diào)控材料的制備和在軌應(yīng)用還需要進一步開展工作。

利用形狀記憶特性的形狀記憶類材料如形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料，由于其可以實現(xiàn)在特定條件下進行展開從而應(yīng)用在可展開鉸鏈、可展開桁架、可展開太陽能電池陣列、鎖緊釋放機構(gòu)等結(jié)構(gòu)機構(gòu)上[43-46]，未來有望在航天器上獲得大量的應(yīng)用。

2.7 高性能航天服材料

隨著我國空間站的建設(shè)和未來的深空基地的需求，航天員面臨長期在軌生存，也可能存在較長時間的極端環(huán)境下的出艙活動，尤其是針對月球表面或者未來火星表面的出艙行走，月球塵、火星塵、極端高溫或低溫、帶電顆粒等均可能對航天服材料產(chǎn)生嚴(yán)重影響，例如摩擦磨損、帶電黏附等。傳統(tǒng)航天服材料主要為纖維類材料，但在面向深空探測任務(wù)時，則難以滿足熱導(dǎo)率和材料厚度相結(jié)合的隔熱性能要求。因此，需要加強高性能航天服材料的研制以及具有更高空間環(huán)境適應(yīng)性的航天服材料的研制，實現(xiàn)柔性高、抗塵埃吸附、隔熱性好、質(zhì)量輕等特性。

新型氣凝膠類材料[47]，由于具有較低的熱導(dǎo)率，將其與有機材料的柔韌性結(jié)合，進而研制具有高柔韌性和耐使用性特點的有機氣凝膠材料，已成為未來航天服的發(fā)展方向。例如，美國航空航天局(NASA)對聚酰亞胺氣凝膠材料開展了系統(tǒng)的研究，研制出了具有絕緣、阻燃、隔熱、耐高溫和柔韌性能優(yōu)異的聚酰亞胺氣凝膠材料，可以實現(xiàn)室溫下的熱導(dǎo)率為14 mW/(m·K)，且具有低密度、高模量、易加工等特點[48]。

2.8 功能梯度材料

功能梯度材料的最初目的是解決航天飛機的熱防護問題如用于熱障涂層火箭推進劑燃燒室內(nèi)部材料[49]，但隨著功能材料的優(yōu)異特性的開發(fā)，目前在抗力學(xué)沖擊、獨特的光學(xué)特性等方面獲得了廣泛的應(yīng)用[50-53]，例如用于光學(xué)窗口的增透、空間碎片的梯度防護(見圖4[54])等。

圖4 密度梯度型空間碎片防護結(jié)構(gòu)[54]Fig.4 Density gradient space debris protection structure[54]

2.9 超材料

超材料(metamaterial)用來定義自然界不存在的、人工制造的、三維的、具有周期性結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。超材料通常是指具有新奇人工結(jié)構(gòu)并具有超常的物理性質(zhì)的復(fù)合材料；其性質(zhì)往往不是主要取決于構(gòu)成材料的本征性質(zhì)，而是取決于其中的人工結(jié)構(gòu)。如三維光學(xué)超材料具有多種不同的新穎結(jié)構(gòu)，例如多層雙魚網(wǎng)負(fù)折射率材料，由疊層電子束光刻制備的立體或手性負(fù)材料，基于激光直寫和電鍍的手性超材料，通過電鍍的六邊形孔陣列模板制成的雙曲型超材料，由耦合等離子體波導(dǎo)組成的對特定頻率具有不依賴角度的負(fù)折射率金屬-介質(zhì)多層超材料，采用膜投影光刻技術(shù)制造的三維開口環(huán)諧振器，基于同軸設(shè)計的寬角可見負(fù)折射超材料，適合于激光直寫的連接立方對稱的負(fù)折射超材料結(jié)構(gòu)，利用大面積自組裝技術(shù)制備的金屬集群可見頻率磁性超材料以及由兩套簡單立方晶格排列的高折射率介質(zhì)球組成的全介質(zhì)負(fù)折射超材料，分別見圖5(a)～(j)[55]。

圖5 三維光學(xué)超材料結(jié)構(gòu)示意圖[55](a)雙魚網(wǎng)負(fù)折射率超材料；(b)立體或手性負(fù)折射超材料；(c)手性超材料；(d)雙曲型超材料；(e)金屬-介質(zhì)多層超材料；(f)三維開口環(huán)諧振器；(g)寬角可見負(fù)折射超材料；(h)連接立方對稱的負(fù)折射超材料結(jié)構(gòu)；(i)金屬集群可見頻率磁性超材料；(j)全介質(zhì)負(fù)折射超材料Fig.5 Schematic diagram of 3D photonic metamaterial structures[55](a)double-fishnet negative-index metamaterial;(b)stereo or chiral metamaterials;(c)chiral metamaterial;(d)hyperbolic metamaterial;(e)metal-dielectric layered metamaterial;(f)SRRs oriented in all three dimensions;(g)wide-angle visible negative-index metamaterial;(h)connected cubic-symmetry negative-index metamaterial structure;(i)metal cluster-of-clusters visible-frequency magnetic metamaterial;(j)all-dielectric negative-index metamaterial

超材料在航天器天線、光學(xué)系統(tǒng)、隱身系統(tǒng)等有著重要的應(yīng)用。例如，基于光學(xué)超材料的優(yōu)良性能，未來可在航天光學(xué)成像、深空望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)載荷和光學(xué)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用[56-57]。

2.10 3D/4D打印材料

對于復(fù)雜航天器結(jié)構(gòu)，利用傳統(tǒng)加工制備技術(shù)具有工藝復(fù)雜、連接點多、可靠性差等缺點。而且在苛刻的空間服役環(huán)境下，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)的變形和損傷?；?D打印技術(shù)，可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術(shù)，是“增材制造”技術(shù)的主要實現(xiàn)方法[58-60]。目前，已經(jīng)利用3D打印技術(shù)成功制備航天器火箭發(fā)動機噴嘴、月球基地構(gòu)件、NASA的火星車等[61]。

隨著未來空間復(fù)雜任務(wù)的開展，將智能技術(shù)引入3D打印中，實現(xiàn)3D打印結(jié)構(gòu)在軌激勵下的展開，即4D打印技術(shù)(見圖6)[62-63]，是未來的又一重要發(fā)展方向。4D打印是3D打印結(jié)構(gòu)及材料在形狀、性能和功能方面的有針對性演變，具有能夠?qū)崿F(xiàn)自組裝、多功能和自我修復(fù)的特性，有望在空間天線、深空基地建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

圖6 4D打印概念的示意圖[62-63]Fig.6 Illustration of concept of 4D printing[62-63]

3 結(jié)束語

隨著我國航天科技的發(fā)展，空間站已經(jīng)實現(xiàn)核心艙的成功發(fā)射和航天員的長期在軌駐留，火星探測任務(wù)也成功實施，未來還將進一步開展月球基地、其他行星探測等深空探測任務(wù)，航天員的在軌時間也將越來越長，這就對航天材料性能提出了更高的需求。本文面對我國航天工程中的新的任務(wù)、新的軌道環(huán)境以及人的長期在軌駐留等所帶來的一系列新的問題，從輕質(zhì)、多功能、復(fù)合、智能等角度提出了航天高性能材料的需求。同時，利用納米技術(shù)、材料基因工程等新技術(shù)，并將空間環(huán)境納入航天材料的研制全流程中，進一步開展航天材料的研制和開發(fā)，才能進一步滿足航天工程任務(wù)的需要，進一步提升我國航天創(chuàng)新的能力，為國防科技的發(fā)展和國家綜合實力的提高貢獻力量。