太空中的迷你生态舱航空服材料探究
太空中的迷你生态舱航空服材料探究
姓 |
名 董津铭 杜奕璇 刘容与 朱凌岳 |
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指 |
导 |
教 |
师 米季炯 |
学 |
校 徐州市第一中学 |
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日 |
期 二0二二年九月十六日 |
太空中的迷你生态舱航空服材料探究
学生姓名 董津铭 杜奕璇 刘容与 朱凌岳
指导教师 米季炯
【摘要】探讨了太空中的迷你生态舱航空服材料，通过对贴身舒适衣物材料选择，不同面料的透气性何吸水性差异进行探究；通过对保暖衣物材料选择，探究不同面料的保暖性；通过水冷服制作，对不同浓度乙二醇溶液水冷效果探究；通过对航天服气密层和限制层特性探究，研究不同胶水对织物的气密性和塑形性；通过航天服隔热层材料探究，对不同层数聚酯薄膜的保温效果探究。鉴于研究发现航天服材料跟层数和聚脂薄膜的多少，产生出优异的隔热和保温效果。
【关键词】航空服；服装材料；迷你生态舱
一、研究背景
一些纤维具有极强的高功能, 晶硅石英已成为世界上最洁净的纤维材料。由于它具有抗内温效应, 无纺石英毯被大量用于隔热或太空火箭的热保护系统。这类无纺品耐受温度达1050℃高温, 其高爆抗温力超过1200℃。石英纤维具有十分纯净的化学性。制作工艺要先制成石英棒, 然后整合成纤维, 其无纺加工性与树脂的兼容性都很强。这样的纤维可制成单纱、粗纱、毛纱、低密度毡制品和股纱。而粗纱则可制成无定形的连续缠结无纺品, 无色无味, 也无挥发性。
这样的纤维直径为4～9µm。为了给火箭提供热保护, 石英毛也被用作火箭发射装置和太空交通工具的隔热材料。石英毛的其他应用也很神奇, 它可用作酸性液体和油类的过滤材质, 还用作火炉耐火材料, 也用在半导体高温隔热工业, 还可用作生产重型卡车催化排气净化器材质。
石英毛浸透有机粘接剂可制成低密度无纺毡, 用于航空器, 在高熔点合金锡箔纸间衔接可抗震, 具有很高的寿命。因此在军事航空领域和民用工业都很有应用价值。不仅如此, 用针刺无纬石英纤维制成的材料用于飞机引擎绝热也十分有效。工业高温炉和光纤维绝热应用也已相当广泛。
欧洲还利用这类无纺品设计出对地静止轨道的传输有效载荷或地球低级轨道体系。由于这种材料属于预制氧化碳, 法国杜弗洛工业公司利用它开发抗强震材料, 用以作为卡车和托运集装箱的减震器。
2011年4月12日-15日, 日内瓦将举办INDEX无纺博览会, 届时将有多种新品问世。其实, 早在2008年, 瑞士举办的INDEX博览会, 纳米纤维就通过电镀技术, 被广泛应用于无纺过滤器。我们看到的宇航服已经属于喷射型纳米纤维无纺材料, 不仅用于制服首层, 而且其他层也采用这类材料。
采用石英毛纤维, 最初产生于美国麻省理工学院。该大学专家最先开发出紧身的太空型宇航服, 称之为Bio Suit (生物制服) , 正式替代加压型大体积的笨重宇航服。最新开发出的宇航服也很具有韧性和灵活性。
专家确信, 作为人体第二层皮肤, 这类外层涂喷宇航服属于有机性无纺品, 能自然分解, 它使宇航员在满是尘埃的太空行走自如。这类制服照样可启动人造肌纤维的电池发电, 让第二层皮肤给宇航员提供动力。
这类太空服体系还可镶嵌通信设备、产生生物功能, 借助电脑的作用在太空中行走或攀爬装置。美国宇航局就将其称为“户外车辆活动” (EVA) 。
美国麻省理工学院宇航太空工程系教授达华·纽曼说, “当人类登上月球或火星时, 或许不会将其作为永久居住地, 但这种宇航服却会永久性加以利用”。
美国前宇航员太空漫步者杰弗里·霍夫曼曾配合纽曼教授及其同行夜以继日地工作, 历经数年艰辛探索, 他们终于开发出这种太空服。过去的太空服可给穿者加压至20千帕斯卡, 但最新产品却可加压至25～30kPa, 已超越地球气压三分之一。因此, 很明显, BioSuit具有很高的太空利用价值。这种完全功能化的太空服在十年内即可为宇宙旅行大批量生产。
这类太空服还有内置“心脏”, 它是一种机械计数器, 与材料内层紧密粘贴, 同时又具有柔韧性和保护宇航员身体的功能。不仅如此, 它还能显示人体运动性三维立体图, 即人体在太空移动时, 地面人员可见宇航员体内的运动状况。
穿上传统宇航服, 宇航员的手臂和大腿的移动受到限制, 但这种太空服却开了先河, 让宇航员具有了更大的灵活性。
美国宇航局最新开发的宇宙飞船, 外部移动式宇航服也与俄罗斯太空服一样, 宇航员身穿的任何加压设备都包含了可透气性。由于背包生命支持系统的作用, 宇航服外层又限制了太空服的移动性并要求宇航员用自身力量克服制服带来的不便。无论是美国还是俄罗斯, 他们开发的最新宇航服都只能用于太空行走, 而不能用于太空飘浮。
为设计更大的移动性, 强化人类的太空能力, 纽曼希望生物制服能为普通人利用, 即可裁剪并当作运动服穿, 也可为将来人类登上火星做准备。
2016年9月15日, 英国诺丁汉一位设计师兼研究者索尼娅·雷诺兹宣布, 她首次研发出一种新型的轻薄无纺纱, 号称“太空布”。据称, 这种织物将会给世界纺织业带来革命性影响。雷诺兹发明的“太空布”是首个由纱线制成的无纺材料。它作为一种智能无纺, 拥有巨大的发展前景。该织物具有独特的结构, 原本属于无纺 材料, 却能自如地嵌入铜线、发光二极管 (LED) 和其他电子元件。
雷诺兹女士把这个想法带到诺丁汉特伦特大学高级纺织研究小组, 同时努力获得该领域的博士学位, 进一步探索新型“太空布”的生产过程。其美其名曰索番雅书, 科学学名为轻薄织物纱, 它不像传统的机织或针织材料的套结或织纱, 而是采用了新发明的称为纱面缠绕原理的技术。据称, 这是纺织业真正的突破。这是首个用纱线制成的无纺材料, 将对未来服装业产生影响深远。
由于这种材料的线型结构, 它作为一种智能纺织品, 其使用的潜能是无限的。我们认为, 无论是贴身的特定部分还是研发抗菌和芳香的衣物, 它都十分有益, 它适合嵌入含有药物或气味的微胶囊。
由于这种材料的线型结构, 它作为一种智能纺织品, 其使用的潜能是无限的。我们认为, 无论是贴身的特定部分还是研发抗菌和芳香的衣物, 它都十分有益, 它适合嵌入含有药物或气味的微胶囊。
由于各类材料在视觉上有一定差别, 它有可能被用于除衣服外的其他方面, 如内墙装饰。由于加工成本比针织物或纺织物更为低廉, 所以它也是一种友好环保型材料。研究表明, 虽然它也可从合成纱中提取, 但从天然纱线, 如纯羊毛、头发和羊毛/丝的混合物中提取时, 太空布最坚固高效。
据称, 这种“轻薄织物纱”是以不可想象的速度在纺织业中飞速发展。科学家确信, 它与纺织技术如纺织品的加热技术、嵌入LED技术结合。将在纺织品方面有很大潜力。不仅如此, 这种轻薄织物纱作为面料, 轻巧灵活;作为拉伸复原性能良好的材料, 它又可拉长, 还能复原。因此英国的科学家寄予厚望, 因为它不仅解决了多年来一直无法解决的太空纺织物无法承受太空射线的难题, 而且它有助于为人类提供更智能、更环保的未来服装。
二、实验材料
1、课题一：贴身舒适衣物材料选择-不同面料的透气性和吸水性差异探究
实验数据说明:
实验目的：通过改变面料类型，探究其透气性吸水性
自变量：不同类型的面料
因变量：透气性和吸水性
实验材料：
棉布+涤纶+混纺+烧杯+橡皮筋+温湿度计+计时器+量筒+开水+自来水
实验步骤：
测量面料的透气性
（1）准备3种面积大小相同的面料（棉布、涤纶布、混纺布，10cm*10cm）各3块；
（2）在1个100mL烧杯中倒入100mL开水；
（3）取1块面料(比如棉布）用猴皮筋固定在杯口出；
（4）将温湿度计的的探头紧贴棉布，同时打开计时器，记录湿度达到40%、50%、60%、70%、80%的时间；
（5）重复步骤 2-4，记录并分析数据，得出结果。
（二）测量面料的吸水性
（1）准备3种面积大小相同的面料（棉布、涤纶条、混纺布，10%*10%）
（2）在1个100mL烧杯中倒入10mL开水；
（3）取1块面料浸泡在开水中，等待5分钟；
（4）5分钟后，拿出面料，用量筒测量烧杯内剩余的水量
（5）重复步骤 2-4 ，记录并分析数据，得出结果。
注意事项：
a .为避免误差，应保证温湿度计读数在开始测试时保持一致;
b .为避免误差，拿出的面料需要在烧杯口处抖动，直至拿出的面料没有水地滴落为止（建议抖动10下）
面料类型 |
混纺布 |
棉布 |
涤纶 |
平均吸水量（ml） |
8.5 |
11 |
9 |
结果与讨论：
通过以上实验，我们观察到：
棉布组湿度上升速度最快，透气性最好；
混纺布祖湿度上升速度适中，透气性适中；
涤纶组湿度上升速度最慢，透气性最差。
涤纶组的吸水性最差
所以在三种面料中，棉布更适合作为航天服的贴身舒适衣物材料。
2、课题二：保暖衣物材料-探究不同面料的保暖性
实验设计说明：
实验目的：通过改变面料类型，探究其保暖性差异
自变量：不同类型的面料
因变量：保暖性
实验材料：
羊绒布+牛奶丝+混纺布+温湿度计+冰袋+象皮筋+计时器
实验步骤：
（1）准备3种面积大小的面料（羊绒布、牛奶丝、混纺布，10cm*10cm)各3块
（2）选取其中1块面料，包裹温湿度计探头，用猴皮筋固定，再用冰袋包裹；
（3）记录温湿度计的每分钟的温度读数；
（4）5分钟后，移开冰袋，记录每分钟的温度读数；
（5）重复步骤（2）-(4)，记录数据；
（6）分析数据，得出结论，分析结果。
注意事项：
a .在做实验时，可将温湿度计连同面料放进冰柜冷冻层进行实验；
b .冰袋可以自己制作。
结果与讨论：
通过以上实验，我们观察到：
牛奶丝组的保暖性最差；
羊绒组的保暖性适中；
混纺布祖的保暖性最强。
所以在三种面料中，混纺布更适合作为航天服的保暖衣物材料。
3、课题三：水冷服制作---不同浓度乙二醇溶液水冷效果探究
实验设计说明：
实验目的：通过改变乙二醇溶液浓度，探究其水冷效果差异
自变量：不同浓度的乙二醇溶液
因变量：水冷服
实验材料：
乙二醇+水泵+量筒+温湿度计+电源线+热缩管+插头+绝缘胶带+混纺布+水瓶+水平帽 +冰袋+壶+烧杯+电压表+热水
实验步骤：
（1）制作夜冷服：将电源线连接水泵，并用热缩管包裹接口（也可用绝缘胶带代替）。使用胶带将两根3mm*4mm导管分别黏在两块混纺布(15mm*15mm)上，使用胶带将两片水冷服粘贴在一起。将两根5mm*8mm导管接在水泵进水/出水口上；将两根4mm*6mm导管接在水瓶帽进水/出水口上；使用两个B1-032-040软管转接口将水冷服与水平帽端连接，使用两个B1-032-048软管接口将水冷服与水泵段连接，制成简易液冷服；
（2)制备水冷液：使用50ml量筒精确称取不同体积的乙二醇溶液和自来水，制成不同浓度的水冷液，并注入300ml饮料瓶。浓度分别为0、10%,30%,50%,70%;
浓度 |
0 |
10% |
30% |
50% |
70% |
乙二醇体积（ml） |
0 |
20 |
60 |
100 |
140 |
自来水体积（ml） |
200 |
180 |
140 |
100 |
60 |
（3）准备热水袋：讲500ml、50℃热水注入8号塑料袋中并封紧，外层包裹8号塑料袋2个并封紧，（防止漏水），将温度计探头放入2-3层塑封袋中；
（4）模拟穿上液冷服的人体：将液冷服放在热水袋上，此时热水袋相当于散发热量的人体，覆盖其上的液冷服相当于航天服的液冷服；
（5）启动冷却系统：将装有水冷液的塑料瓶浸泡于放置了冰袋与自来水的水盆中，为水冷液进行降温，将瓶口放置略低于瓶底，方便导管中液体循环，打开水泵，使水冷液在液冷服中开始循环；
（6） 记录起始温度，并每5min记录一次温度示数，分析数据，得出结论。
注意事项：
a.液冷服的起始温度尽量一致；
b.在实验中注意用电安全。
实验数据记录与分析：
实验结果：
通过以上实验，可以得出，降温效率最高的时50%浓度的乙二醇溶液，其次是70%的乙二醇溶液，降温效率最低的是10%浓度的乙二醇溶液。所以在制作航天服的液冷层时，为达到较好的散热功能，需要在水冷服中循环浓度为50%的乙二醇溶液。
4、课题四：航天服气密层和限制层特性探究—不同胶水对织物的气密性和塑性性探究
实验设计说明：
实验目的：通过改变胶水类型，探究其对织物的气密性和塑形性影响
实验材料：
刷子+白乳胶+氯丁胶+玻璃胶+涤纶+半圆尺+壶+烧杯+水龙头+电压表
实验步骤：
（1）准备面料与胶水：剪裁相同面积的6块涤纶(10cm*10cm），称量不同种类的胶水（白乳胶，氯丁胶，玻璃胶）各6克;
（2 ）制作胶布：将6块涤纶布两两叠加，将称量好的三种不同类型胶水均匀涂抹在面料上的一面，等其干透，即制作好了3块胶布：
（3）测胶布下垂角度：将干透的1块胶布一边固定，对边自然下垂，用量角器计算布料的下垂角度；
（4）固定胶布：准备1个容量为100mL的烧杯，并在烧杯中装100mL的开水，将干透的胶布用猴皮筋固定在烧杯口处；
（5）测湿度：将温湿度计探头放在胶布表面，记录每分钟的湿度数据；
（6）重复步骤（3）—（5），记录数据；
（7）分析数据，得出结果。
实验数据记录与分析：
实验结果：
通过以上实验，我们可以得到：玻璃胶的塑形性和气密性最好，氯丁胶的塑形性和气密性适中，白乳胶的塑形性和气密性最差；结合气密性和塑形性，玻璃胶是最佳的为航天服的气密层和限制层选择的气密性胶水。
6.课题五：航天服隔热层材料探究--不同层数聚酯薄膜的保温效果探究
实验设计说明：
实验目的：通过改变聚酯薄膜的层数，探究其保温效果
自变量：不同层数的聚酯薄膜
因变量：保温效果
实验材料：
无纺布+冰袋+电压表+剪刀
实验步骤：
（1）准备面料：剪裁相同面积的5块无纺布（10cm*10cm）；
（2）贴聚酯薄膜胶带：分别在无纺布上黏贴1.2.3.4.5层的聚酯薄膜胶带，并将湿温度计探头包裹在其上；
（3）用冰袋将探头覆盖，并记录1-10分钟的温度变化；
（4）10分钟后，将冰袋移开，记录11-12分钟的温度变化；
分析数据，得出结论。
实验结果
通过以上实验，我们可以得到，层数越多，保温效果越好。所以，航天服隔热层在满足重量标准的情况下，聚酯薄膜越多，隔热效果越好。
五、结论
通过以上实验，我们可以得到：
航天服材料应用棉布制作航天服的贴身衣物材料，混纺布做保暖衣物材料，使用50%的乙二醇溶液制作液冷层，玻璃胶作为气密层和限制层的气密性胶水，尽可能多的聚酯薄膜胶带做隔热层。
六、参考文献
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附录
