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分享 | 盤(pán)點(diǎn)《流浪地球》中的“超級(jí)材料”

2023-02-16 16:09:19 作者：材易通來(lái)源：材易通分享至：

被譽(yù)為“航天之父”的俄國(guó)科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在1895年提出過(guò)一個(gè)設(shè)想，在地面上建設(shè)一座超高的鐵塔，一直建到地球同步軌道為止，在鐵塔內(nèi)架設(shè)電梯，人們便可以搭著電梯進(jìn)入外太空。這便是“太空電梯”的由來(lái)。

電影《流浪地球2》中的太空電梯

我們想要建造一座直達(dá)外太空的電梯，最重要的就是需要提供繩索軌道。從地面向上建造？太不現(xiàn)實(shí)。那可以試著從太空中“扔”下繩索。也就是說(shuō)，先發(fā)射一顆地球同步衛(wèi)星，然后從衛(wèi)星上伸出繩索“垂”到地面上，在地面一端固定，形成太空電梯的運(yùn)行軌道。這下不用建塔，只需要“幾根繩索”就行！

于是，人們又遇到了異常棘手的問(wèn)題：如何找到密度小，但抗拉強(qiáng)度大的材料？

《流浪地球》原著作者劉慈欣在接受中央電視總臺(tái)記者采訪時(shí)說(shuō)：“太空電梯最大的障礙是它的材料，要把一根鋼索從地球延伸到三萬(wàn)公里高空，目前我們強(qiáng)度最高的材料就是碳纖維。”

高性能碳纖維強(qiáng)度是普通鋼材的10倍，具有極高的耐磨性和耐腐蝕性,可以有效抵抗外界環(huán)境的侵蝕作用，被廣泛用于航天航空、交通、醫(yī)療及國(guó)防等領(lǐng)域，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全密切相關(guān)，尤其在航空航天和國(guó)防軍工領(lǐng)域更是占有不可替代的地位。

2018年1月，“干噴濕紡千噸級(jí)高強(qiáng)/百?lài)嵓?jí)中模碳纖維產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”榮獲2017年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)，這也是我國(guó)碳纖維行業(yè)所獲得的最高獎(jiǎng)項(xiàng)。該技術(shù)的第一完成單位是隸屬于中國(guó)建材集團(tuán)的中復(fù)神鷹碳纖維股份有限公司，此前，該公司系統(tǒng)掌握了T700級(jí)、T800級(jí)、M30級(jí)、M35級(jí)千噸級(jí)技術(shù)以及T1000級(jí)、M40級(jí)百?lài)嵓?jí)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了干噴濕紡的關(guān)鍵技術(shù)突破和核心裝備自主化，建成了國(guó)內(nèi)首條千噸級(jí)干噴濕紡碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線。2020年，中復(fù)神鷹萬(wàn)噸級(jí)碳纖維生產(chǎn)基地在青海投產(chǎn)。

中國(guó)建材集團(tuán)董事長(zhǎng)周育先在接受記者采訪時(shí)曾表示：萬(wàn)噸級(jí)生產(chǎn)基地的投產(chǎn)，讓我們?cè)诮鉀Q了T800、T1000級(jí)碳纖維“0到1”跨越的基礎(chǔ)上，也解決了“1到100”的大規(guī)模量產(chǎn)。只有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，才能保證性能穩(wěn)定、性能一致，才能保證其在國(guó)防軍工、航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。從“國(guó)之重器”到新能源、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，碳纖維材料的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)得到進(jìn)一步拓展。

其實(shí)，目前最有可能滿足“太空電梯”建設(shè)要求的是一種納米材料——碳納米管，也就是《三體》第一部主角所研究的“納米飛刃”的原型。它是由碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能，是目前已知的理論上力學(xué)強(qiáng)度最高和韌性最好的材料。比如，它可以在納米尺度下讓沸水成冰，比如擁有99.8%的電熱轉(zhuǎn)化效率，或許會(huì)成為未來(lái)的“取暖神器”。比如，其硬度與金剛石相當(dāng)，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。具有良好的力學(xué)性能，強(qiáng)度是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復(fù)合材料, 可使復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復(fù)合材料的性能帶來(lái)極大改善。

理論上可行，可一旦真的要考慮項(xiàng)目建設(shè)，就需要解決很多的實(shí)際問(wèn)題。碳納米管的耐久性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，技術(shù)也并不成熟。未來(lái)研究能否成功，就讓時(shí)間來(lái)答案吧。

（月球基地概念圖）

相信看過(guò)影片的觀眾，一定對(duì)在月面建造月球基地和逐月發(fā)動(dòng)機(jī)的情節(jié)記憶猶新。當(dāng)所有工程機(jī)器模塊啟動(dòng)，設(shè)備開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)器人便可以輕輕松松地將基地和發(fā)動(dòng)機(jī)建設(shè)用混凝土基材進(jìn)行自動(dòng)化“建材打印”。

這項(xiàng)技術(shù)可一點(diǎn)也不“科幻”。如今，中國(guó)建材總院針對(duì)極端環(huán)境下月面建造的資源條件約束，利用3D打印技術(shù)，研究了解決月面建筑物建造與長(zhǎng)期服役難題。相信在不久的將來(lái)，在月球上實(shí)現(xiàn)“零員工”建造大樓指日可待！

“一代材料，一代裝備”，作為戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，新材料為我國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了不可或缺的基礎(chǔ)保障。

中國(guó)科幻的背后是中國(guó)制造，中國(guó)制造變革與升級(jí)的關(guān)鍵在于材料。在《流浪地球2》中，我們還能看到許多需要用到“超級(jí)材料”的地方。

為推動(dòng)地球開(kāi)啟“流浪之旅”，人們建設(shè)了上萬(wàn)座巨大的行星發(fā)動(dòng)機(jī)。這些發(fā)動(dòng)機(jī)在噴管、燃燒室采用了大量耐高溫金屬材料，使其可以在1500℃～2000℃環(huán)境中長(zhǎng)期正常工作。瑞泰科技股份有限公司幾十年來(lái)始終專(zhuān)注研發(fā)耐高溫材料，服務(wù)于高溫窯爐工業(yè)，從技術(shù)、產(chǎn)品到施工安裝，努力為高溫窯爐工業(yè)保駕護(hù)航。

凱盛集團(tuán)的發(fā)電玻璃具有弱光發(fā)電、在極端環(huán)境下發(fā)電表現(xiàn)更好的特點(diǎn)，即便是在電影中展現(xiàn)的惡劣地表環(huán)境上，它依然可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。只要有光，就能不斷產(chǎn)生清潔電力，為地球能源供應(yīng)保駕護(hù)航。此外，凱盛研究的高性能空心玻璃微珠可作為可控核聚變?nèi)剂系膬?chǔ)存材料，實(shí)現(xiàn)氘氚燃料的儲(chǔ)存和可控式進(jìn)出，幫助產(chǎn)生強(qiáng)大的推進(jìn)能量來(lái)使地球得以“流浪”。上可九天攬?jiān)?下可五洋捉鱉。高性能空心玻璃微珠還曾作為制備固體浮力裝置最關(guān)鍵的材料，助力我國(guó)首臺(tái)4500米級(jí)深海遙控?zé)o人潛水器“海馬號(hào)”深潛成功。

電影中最引人矚目的炫酷垂直起降型飛行器不僅擁有“中國(guó)心（國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)）”，還身披“中國(guó)衣”。具有特種功能的“外衣”正是“北新燈塔”為其量身打造的隱身涂料。燈塔涂料已有100多年歷史，多次服務(wù)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭、神舟系列、嫦娥系列等大國(guó)重器，獨(dú)具特色的結(jié)構(gòu)底漆、耐熱防護(hù)底面漆、抗靜電涂料、隱身涂料等，展現(xiàn)了中國(guó)制造在航空航天領(lǐng)域過(guò)硬的技術(shù)實(shí)力。

前幾天，國(guó)資小新攜手央企國(guó)家隊(duì)與電影《流浪地球2》夢(mèng)幻聯(lián)動(dòng)，創(chuàng)造了#國(guó)家隊(duì)團(tuán)建式喊話流浪地球#（閱讀量8523.6萬(wàn)），#你們盡管想象我們負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)#（閱讀量7467.1萬(wàn)），#流浪地球中的裝備真實(shí)存在嗎#（閱讀量2649.4萬(wàn)）三個(gè)熱搜話題，眾多央企組團(tuán)上陣。中國(guó)建材集團(tuán)作為建材行業(yè)的代表，也喊話“流浪地球”——將充分發(fā)揮科技創(chuàng)新“國(guó)家隊(duì)”作用，不斷提升我國(guó)關(guān)鍵材料和技術(shù)的自主可控！中國(guó)制造加油！為中國(guó)新材料點(diǎn)贊！