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同时,由于金属键无饱和性,无方向性的特点,金属材料具备生物/有机材料所不可能具有的极高延展性以及热的良导性。
B:生物/有机材料极限性能低下带来的影响
生物/有机材料的极限强度限制了生物战舰最大航行速度与可接受过载,因为在高速航行状态下转向,战舰结构需要承受极大的过载。不过,由于生物/有机材料的柔韧性和适应性,可采用灵活的抗过载设计以减小此方面的问题。
虽然部分生物/有机材料具有高强度/重量比(蛛丝蛋白的强度可与钢铁媲美,且比重大大降低)优势,但极限强度的问题还是远远盖过了生物/有机材料在比重上的优势,金属/无机材料完全可以做得更好,更无需对比人类的超材料。(强相互作用力材料,拓扑量子物理材料,奇异物质材料,磁单极子材料……)
C:太空极端环境对生物/有机材料的考验更为严峻
外太空是极端辐射极端温度的真空环境,太空航行也将不可避免地遭遇微陨石碰撞。且大多数生物/有机材料在真空环境、极端温度、宇宙射线下会分解退化。虽然金属/无机材料同样会因辐射损伤,例如辐射嬗变、离子注入、晶格位移等等,但问题远不如生物/有机材料那样来得突出。
对于金属,暴露于辐射下会导致辐射硬化,从而增强材料,同时使其脆化(降低韧性,导致脆性断裂)。这是由于通过初始相互作用以及由此产生的级联损伤将原子从其晶格位点敲除而发生的,从而导致缺陷、位错(类似于加工硬化和沉淀硬化)的产生。通过热机械加工进行的晶界工程已被证明可以通过将断裂模式从晶间(沿晶界发生)更改为跨晶粒来减轻这些影响。这增加了材料的强度,减轻了辐射的脆化效应。辐射还会导致材料内原子的偏析和扩散,导致相偏析和空隙,并通过水化学性质和合金微观结构的变化增强应力腐蚀开裂的影响。
聚合物和金属的辐射损伤机制不同,因为位错和晶界在聚合物中没有真正的意义。相反,聚合物通过链的运动和重排变形,链通过范德华力和氢键相互作用。在电离辐射等高能存在下,连接聚合物链本身的共价键可以克服它们的吸引力,形成一对自由基。然后,这些自由基参与许多属于辐射化学分类的聚合反应。交联描述了不同链上的碳中心自由基结合形成交联网络的过程。
当聚合物主链上的碳中心自由基与另一个自由基(通常来自大气中的氧气)发生反应时,就会发生断链,从而导致主链断裂。自由基还可以发生反应,将新的官能团移植到主链上,或者在没有粘合剂的情况下层压两个聚合物片。
关于电离辐射对大多数聚合物的预期影响,存在相互矛盾的信息,因为辐射条件非常有影响力。
例如,剂量率决定了自由基形成的速度,以及它们是否能够扩散通过材料重新结合或参与化学反应。交联与断链的比率还受温度、环境、氧气与惰性气体的存在、辐射源(改变渗透深度)以及聚合物是否溶解在水溶液中的影响。
交联和断链对机械性能的影响不同。辐照聚合物通常同时发生两种类型的反应,但程度不一定相同。交联通过防止链滑动来增强聚合物,从而有效地导致热固性行为。交联和支化导致更高的分子量和多分散性。因此,这些聚合物通常具有更高的刚度、拉伸强度和屈服强度,而溶解度降低。众所周知,聚乙烯的交联会改善机械性能,包括增加拉伸强度和降低断裂伸长率。
断链反应会通过降低链的平均分子量来削弱材料,从而使拉伸强度和弯曲强度降低,溶解度增加。断链主要发生在聚合物的无定形区域。它可以通过使短链更容易重新组装来提高这些区域的结晶度。因此,已经观察到结晶度随着剂量的增加而增加,导致宏观尺度上的材料更脆。此外,气态产物,如CO2,可能会被困在聚合物中,这可能导致随后的龟裂和开裂,因为局部应力的累积。