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出版者:Thomson Learning

作者:Penrod, Shelley/ Maxwell, Ann/ Taylor, Jane B./ Jackson, John D.

出品人:

页数:381

译者:

出版时间:

价格:49.95

装帧:Pap

isbn号码:9780495019701

丛书系列:

图书标签:

• Human Biology
• Anatomy
• Physiology
• Health
• Science
• Medicine
• Cells
• Body Systems
• Genetics
• Evolution

《星际航行的材料科学与工程》 导言：超越已知疆域的材料革命 随着人类文明触角不断延伸至太阳系边缘乃至更远的星际空间，传统材料学已无法满足极端环境下的严苛需求。本领域研究的核心目标，在于突破现有材料性能的瓶颈，为星际飞船的结构完整性、推进系统的效率、生命维持系统的可靠性以及深空辐射防护提供坚实可靠的物质基础。《星际航行的材料科学与工程》汇集了当前最前沿的理论探索与工程实践，旨在构建一个面向未来的、适应超远距离航行挑战的材料体系。 本书深入探讨了在极端温度梯度、高能粒子辐照、微重力/零重力效应以及超长服役期限等综合约束条件下，新一代结构材料、功能材料和智能材料的设计、制备与性能表征。我们将重点关注如何利用先进的计算模拟方法，如密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD），预测和优化材料在苛刻太空环境下的长期行为。 第一部分：极端环境下的结构完整性 星际航行对飞船的结构材料提出了前所未有的挑战。材料必须能够在数十年乃至上百年的航行周期内，抵抗疲劳损伤、蠕变、辐照脆化以及热应力。 第一章：超高温与超低温下的结构陶瓷与复合材料 星际探测器在穿越恒星风暴区或靠近高能天体（如脉冲星或中子星）时，可能遭遇极高热流。本章首先分析了碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）基复合材料以及高熵陶瓷（HECs）在数千摄氏度下的热力学稳定性与烧蚀特性。重点研究了多孔陶瓷的微观结构对热导率的调控机制，旨在设计出轻质且具有优异隔热性能的耐热护盾。 随后，内容转向绝对零度附近的环境。对于那些需要部署在柯伊伯带之外的探测器，材料的低温韧性至关重要。我们考察了具有低温相变可控性的镍-钛（Ni-Ti）基形状记忆合金（SMA）在液氦温度下的应力-应变响应，并探讨了如何通过引入纳米晶粒来抑制低温脆性断裂的发生。 第二章：高能粒子辐照损伤与自修复机制 深空环境充斥着高能质子、重离子和中子，这些粒子对材料晶格结构造成难以逆转的损伤（空位、间隙、位错环的形成）。本章详细剖析了等效剂量（dpa）与材料性能衰退（如杨氏模量下降和电导率变化）之间的定量关系。 重点介绍了一类新型“辐照容忍型”合金，例如通过合金化或引入特定晶界相来促进缺陷的快速迁移和湮灭。此外，我们引入了“智能自修复”概念，探讨了将封装的修复剂（如熔点极低的金属或响应性聚合物）嵌入结构基体中的技术，使其在损伤形成时能通过局部加热或压力释放进行初步恢复，延长材料的有效寿命。 第三章：微重力与零重力下的增材制造 传统地面制造工艺在零重力环境下会因浮力效应和对流换热差异而导致缺陷。本章聚焦于空间原位制造（In-Situ Manufacturing）所需的先进增材技术，特别是激光粉末床熔融（LPBF）和定向能量沉积（DED）在空间站或小行星基地中的应用。我们分析了零重力下金属粉末的堆积密度、熔池的表面张力控制，以及如何通过电磁场辅助来抑制孔隙形成，以保证打印件的宏观力学性能与地面标准一致。 第二部分：推进系统与能源转换材料 星际航行对推进系统提出了能源密度和比冲的极限要求。材料科学是实现高效率、长寿命推进器的关键。 第四章：聚变反应堆与先进磁约束材料 对于依赖核聚变推进（如D-He3或D-T反应）的星际飞船，反应堆堆芯材料必须承受极高的中子通量和热负荷。本章评估了钨（W）基合金、反应堆级石墨以及先进的氧化物分散强化（ODS）合金在苛刻等离子体边界环境下的耐受性。特别关注了氚的渗透与库存问题，以及如何设计具有低氚俘获截面的陶瓷内衬材料。 第五章：高效率能源转换材料 长距离航行需要稳定、高功率的能源供应。本书深入研究了下一代同位素热电材料（RTGs）和先进光伏（PV）阵列的性能提升。在热电领域，我们探讨了碲化锗（SiGe）晶体结构的超晶格化设计，以有效散射声子，显著降低热导率而保持电子迁移率，从而提升塞贝克系数。在光伏方面，分析了多结砷化镓（GaAs）电池在深空低照度环境下的光谱匹配优化，以及柔性、自清洁的超轻薄膜太阳能电池在船体表面的集成技术。 第三部分：生命维持与辐射防护系统 船员的安全与健康是星际任务的首要考量。材料需要为创造和维持类地环境提供保障。 第六章：先进的辐射屏蔽材料 宇宙射线（GCRs）和太阳高能粒子（SEPs）是船员面临的主要威胁。传统屏蔽材料（如铝）易产生次级辐射。本章详细阐述了以氢元素为核心的高效屏蔽策略。研究了富含氢的聚合物复合材料，如聚乙烯（PE）与硼化聚乙烯（BPE）的结构设计，以最大化质子散射和中子吸收。此外，还探讨了利用主动磁屏蔽技术辅助下，基于超导材料设计轻质的等离子体偏转层。 第七章：闭环生态系统的功能材料 生命维持系统（ECLSS）依赖于高效的化学反应器和分离膜。本章着重于新型膜分离技术，例如用于CO2捕获和水回收的金属有机骨架材料（MOFs）和石墨烯氧化物（GO）膜。我们分析了MOFs在低压和零重力下吸附/解吸的动力学模型，以及如何通过孔隙工程来增强对特定挥发性有机物（VOCs）的去除效率，确保舱内空气质量的长期稳定。 结论：面向未来的材料探索路径 《星际航行的材料科学与工程》不仅总结了现有技术，更指明了未来十年的研究方向：从材料的宏观性能转向原子尺度的精确调控，从被动防护转向主动适应与自适应。通过跨学科的深度融合——计算模拟、先进制造与原位表征——我们将能够设计出真正能够支撑人类文明踏入银河系的物质基础。本书是为空间工程师、材料科学家以及所有致力于深空探索事业的研究人员提供的关键参考。

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