第368章 材料(2 / 2)

因為當天體達到一定的質量以後,其內部自然而然就會出現這樣的的反應。

這是由於天體的質量太大,所產生的重力太大,自然而然就會將大量的原子往自已的中間擠壓。

在這個過程之中,原子之間不斷的擠壓做功坍塌就會引發出強烈的能量。

這些其實都是原子能。

人類從誕生以來到覺醒,文明到最後掌握核能,其中每一步都走得十分的困難。

回顧過往,或許覺得人類似乎都比較輕易,可是真正處在曆史潮流之中就會明白這些事情每一次的誕生,每一次的努力,最終是能造成的結果。

況且人類現在所掌控的核能也永遠不是聚變反應還是處於一個較為基礎前期的裂變反應,兩者之間的差距也是極其巨大的。

事實上簡單來說,人類目前的情況僅僅隻是簡單的掌握了一些。關於核能方麵的知識,最多可以算是一個初學的入門者。對於更深刻更高端的知識,目前的人類來說,還有好多都沒有辦法解決。

畢竟限製一樣事物的誕生,有時候不僅僅是理論或者說是技術,相反材料也是一個很重要的關鍵。

就像災變爆發之前的科技文明時代人類,其實那時候在理論上人類已經對於核武器或者說核能的利用有了進一步的認識。

比如對於可控核聚變,可以說人類在理論上對於實現這種對於當時人類來說,清潔的幾乎無限的能源有了詳實的、可實現的方式方法。

然而,迫於當時在材料學上的限製,即便對於核能、可控核聚變有了進一步深入的認識,已經到了臨門一腳,可實現邊緣,但人類依舊沒有辦法進一步對這一項展開研究。

事實上,在科技文明時代,人類的很多應用上的科技,都是因為材料的緣故,所以使得許多在理論上成立的東西,可在實際過程之中卻是天差地彆。

比如航空發動機,就是一個典型案例。

航空發動機被譽為現代工業“皇冠上的明珠”,其性能和可靠性要求極高。在航空發動機的研製過程中,材料學起著至關重要的作用。由於一些關鍵材料達不到要求,這就會導致在航空發動機領域的科技應用一度滯後。

首先,航空發動機需要在高溫、高壓、高轉速的極端環境下長時間可靠運行。例如,渦輪葉片需要承受高達數千攝氏度的燃氣溫度,這就要求葉片材料具備極高的耐高溫性能、強度和抗氧化性能。然而,很長一段時間內,我國在高溫合金等先進材料的研發和生產方麵與國際先進水平存在差距。材料的耐高溫性能不足,使得渦輪葉片在高溫下容易變形、損壞,嚴重影響發動機的性能和壽命。

其次,航空發動機的風扇葉片、壓氣機葉片等部件也需要高強度、高韌性的材料。這些材料不僅要能夠承受巨大的離心力和空氣動力載荷,還要具備良好的抗疲勞性能和耐腐蝕性能。由於材料學的限製,在這些關鍵部件材料的研發上進展緩慢,導致發動機的整體性能和可靠性難以得到有效提升。

此外,航空發動機的製造還需要大量的特殊材料,如陶瓷基複合材料、鈦鋁合金等。這些材料具有優異的性能,但研發難度大、成本高。在這些材料的產業化應用方麵還麵臨諸多挑戰,這也在一定程度上製約了航空發動機技術的發展。

可以說,如果航空發動機所使用的材料能夠滿足需求,那麼人類是完全能夠製造出更加強大的,馬力更加強悍,性能更卓絕的航空發動機。

發動機的葉片材料要是能夠突破材料的限製,人類製造出來的航空火箭以及航空飛機都將能夠擁有更大的載力,更快的速度。

此外,除了航空航天領域之外,還有像是半導體領域。碳化矽半導體材料是第三代半導體材料的代表之一,具有耐高壓、耐高頻、耐高溫等優點,在新能源汽車、智能電網、5G通信等領域具有廣闊的應用前景。

然而,碳化矽材料的製備難度大、良率低、產能小,導致其成本較高,限製了它在半導體領域的大規模應用。例如,在新能源汽車的功率電子器件中,雖然碳化矽器件能夠提高電動汽車的續航裡程和充電速度,但由於碳化矽襯底的成本較高,使得整車的成本增加,影響了碳化矽器件在新能源汽車領域的滲透率。

如果能夠在這方麵解決材料上的問題,那麼在通信領域將有著重大的意義。

還有像光刻膠方麵,光刻膠是半導體芯片製造過程中不可或缺的關鍵材料,其性能直接影響芯片的製程精度和良率。

此外,還有鋰電池領域,比如固態電池電解質材料固態電池被認為是下一代電池技術的重要發展方向,具有高能量密度、高安全性等優點。

然而,固態電池的發展受到電解質材料的限製。目前,固態電解質材料的離子電導率較低、界麵穩定性差,導致固態電池的性能難以達到理想狀態。例如,氧化物固態電解質材料雖然具有較高的離子電導率,但在製備過程中容易產生裂紋,影響電池的性能;聚合物固態電解質材料的離子電導率較低,且在高溫下容易軟化,限製了其在高溫環境下的應用。

另外還有鋰硫電池正極材料,鋰硫電池具有高理論能量密度、低成本等優點,但硫正極材料存在導電性差、體積膨脹大、穿梭效應等問題,導致鋰硫電池的實際性能遠低於理論值。這些問題的解決需要開發新型的正極材料或對硫正極進行結構設計和改性,但目前尚未找到一種有效的解決方案,限製了鋰硫電池的實際應用。

至於醫療方麵,還有人工關節材料以及心臟支架材料。

人工關節需要具備良好的生物相容性、耐磨性、耐腐蝕性和力學性能。目前,常用的人工關節材料有金屬材料如鈦合金、鈷鉻鉬合金等、高分子材料如超高分子量聚乙烯等和陶瓷材料等。然而,這些材料都存在一定的局限性。例如,金屬材料的彈性模量與人體骨骼相差較大,容易導致應力遮擋,影響骨骼的生長和修複;高分子材料的耐磨性和耐腐蝕性相對較差,長期使用可能會產生磨損顆粒,引發炎症反應;陶瓷材料的脆性較大,在使用過程中可能會發生破裂。

心臟支架是治療心血管疾病的重要醫療器械,其材料需要具備良好的生物相容性、可降解性和力學性能。目前,常用的心臟支架材料有金屬支架和可降解支架。金屬支架雖然具有較高的力學強度,但長期存在於體內可能會導致血管內膜增生、再狹窄等問題;可降解支架在體內能夠逐漸降解,避免了金屬支架的長期並發症,但可降解支架的降解速率和力學性能的匹配是一個難題,過快的降解速率可能會導致支架在血管尚未完全修複之前失去支撐作用,影響治療效果。

所以從這些方麵來說,材料學對於人類整個科技文明的發展是有著至關重要的。

像可控核聚變,人類在理論上其實是已經掌握了,也驗證過的,但一直受製於材料,沒辦法真正展開研究,更不用說進行實驗,乃至於最後的大規模普及應用。

可控核聚變是一種利用輕核聚變為重核釋放巨大能量的技術。

理論上來說就是指兩個較輕的原子核結合成一個較重的原子核,並釋放出大量能量的過程。在太陽和其他恒星內部,就是通過核聚變反應產生能量的。

而對於人類來說,可控核聚變變主要利用氫的同位素氘和氚作為燃料,通過特定的反應方程式,使得氘和氚的原子核克服了庫侖斥力,在高溫、高壓等特定條件下發生聚變,釋放出巨大的能量。

實現可控核聚變的條件主要有三點,高溫,高壓,以及約束時間。

其中高溫是實現核聚變的關鍵條件之一。在極高的溫度下,原子核具有足夠的動能,能夠克服庫侖斥力,接近到可以發生核聚變的距離。對於氘氚聚變反應,需要達到上億攝氏度的高溫。在這樣的高溫下,物質處於等離子體狀態,即由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的電離氣體。等離子體具有獨特的物理性質,如導電性、熱傳導性等。

第二個高壓可以增加原子核的密度,提高核聚變反應的概率。在太陽內部,巨大的引力提供了高壓環境。而在地球上實現可控核聚變,需要通過其他方式來產生高壓,如磁場約束、慣性約束等。

而第三即使滿足了高溫和高壓條件,核聚變反應也需要一定的時間才能持續進行。因此,需要將高溫等離子體約束在一定的空間內,使其有足夠的時間發生聚變反應。約束時間越長,核聚變釋放的能量就越多。

在科技文明時代,人類對可控核聚變的實現方法,主要有兩種:

一個是磁約束核聚變,另外一個是慣性約束核聚變。

磁約束核聚變是利用磁場來約束高溫等離子體,使其在一定的空間內發生核聚變反應。目前,最具代表性的磁約束核聚變裝置是托卡馬克裝置。

托卡馬克裝置通過強大的磁場將等離子體約束在環形真空室內,防止等離子體與裝置壁接觸而冷卻。同時,通過加熱等手段維持等離子體的高溫狀態,促進核聚變反應的進行。

磁約束核聚變的優點是可以實現連續運行,並且能夠產生較高的能量輸出。但目前磁約束核聚變技術還麵臨著許多挑戰,如等離子體的穩定性控製、磁場的優化設計、材料的耐輻射性能等。

慣性約束核聚變是利用高功率激光或粒子束等手段,在極短的時間內對含有氘氚燃料的微小靶丸進行加熱和壓縮,使其達到高溫、高壓狀態,引發核聚變反應。

當激光或粒子束照射靶丸時,靶丸表麵迅速蒸發並產生反作用力,使靶丸內部的燃料被壓縮到極高的密度和溫度,從而實現核聚變。由於慣性的作用,在靶丸解體之前,核聚變反應能夠持續一段時間。

慣性約束核聚變的優點是可以在較短的時間內產生極高的能量密度,並且裝置相對較小。但目前慣性約束核聚變技術也存在著一些難題,如激光或粒子束的能量轉換效率、靶丸的製備和定位精度、聚變反應的重複性等。

然而,在大災變發生之前的人類科技世界,可控核聚變雖然有了清晰的方向和方法。

但是受製於材料,依舊沒有辦法完完全全說是達到可控的範疇。

事實上,滿足可控核聚變的三個條件,高溫、高壓和約束時間,如果有一種或者幾種材料,能夠實現達到這樣的條件,可控核聚變瞬間就變得無比簡單。

這就像是一台蒸汽機或者內燃機一樣。

在鋼鐵或者其他的金屬等材料被發明運用出來前,人類想要實現蒸汽機和內燃機可以說是天方夜譚。

畢竟沒有那樣強的材料,根本上在最初的第一步就完全實現不了。

可有了這樣的材料,那麼不管是蒸汽機還是內燃機,在理論上已經成立的前提下,製作起來就十分的輕鬆容易。

而可控核聚變同樣是如此。

現在對於人類來說,所謂的巨大難點,其實就是材料上達不到使用的需求。

若是材料能夠達到,或者說這樣的材料可以源源不斷的生產出來,那麼可控核聚變其實是真的能夠變得普及和簡單的。

就像曾經在人類文明尚未崩潰的前,有過一本流行頗廣的科幻小說,裡麵就出現描述的外星人抵達地球所具備的飛船,對方竟然就是用很粗糙、簡單的原始材料製作出來的。

為什麼能夠這樣?

其實很簡單,那就是那些外星人所身處的星球,重力不一樣,所采用的材料的強度也不一樣……

很多在普通人看起來匪夷所思的東西,在某些材料達到一定的強度之後卻是一切都變得普通。

就像可控核聚變這樣堪稱是人類科技結晶和典範的存在,在人類文明時代都一直未能實現。

但如果真的有一天出現了一艘外星戰艦的話,所擁有的就是可控核聚變的能量,其實也沒什麼稀奇的。

這本身不意味著對方在理論材料學上,比那時候的人類生出多少,更為關鍵的一點在於,有了那些特殊強度的材料,自然能夠延伸出不同的工具。

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