11.1 化学与材料研制：解谜中国航天服中的黑科技---2024--2025学年九年级化学鲁教版（2024）下册

第十一单元 化学与社会发展 第一节 化学与材料研制 ——解密中国航天服中的"黑科技" 素养目标 01 化学观念 通过航天服的多层结构（如内衬、隔热层、抗辐射层、外防护层），分析不同材料的化学组成与功能特性（如轻便、隔热、耐辐射、高强度）的关联，体会化学是材料功能化的基础。 02 科学思维 基于航天极端环境（高低温、强辐射、微陨石撞击），构建材料研制的需求框架（轻量化、多功能、高可靠性），提炼材料设计的科学逻辑和工程思维。 03 科学实践与探究 以“航天服抗辐射层复合材料”为课题，模拟材料复合工艺（如碳纤维与树脂的层压成型），体验材料研制中化学合成与工程技术的结合。 04 科学态度与责任 结合我国“飞天”航天服的自主研发历程，感悟化学工作者在解决“卡脖子”技术难题中的担当，树立投身材料科学研究的志向。 航天服中的材料 01 学习活动一:航天服中的材料 材料是人类社会物质文明进步的重要标志之一。 新型材料的研制助力我国在载人航天、探月探火、深 海深地探测、超级计算机、卫星导航等领域取得重大 成果，进入创新型国家行列。 从火箭发动机到深空探测器中的二氧化硅纳米颗粒，正成为突破航天材料瓶颈的“超级粘合剂”。 神舟飞船在进入地球大气层时会受到高温的影响，需要使用热保护材料。 航空特种涂料在现代航空工业中扮演着至关重要的角色 保护航天员生命安全的舱外服采用多层织物制作，内部采用涤纶或芳纶，保护航天员免受微流星体的撞击 学习活动一:航天服中的材料 头盔 水冷降温层 保温层 外保护层 贴身舒适层 气密层 航天服拆解 手套 学习活动一:航天服中的材料 航天服如何抵御-180℃~+120℃的极端温差？ 我国航天服材料经历了怎样的发展历程？ 舱外服为什么能承受微陨石撞击？ 思考与讨论 航天服中的金属材料 02 学习活动二:航天服中的金属材料 钛合金的稳定氧化层避免了与人体接触时的过敏反应，尤其适用于需长期穿戴的舱外服关节轴承与连接部件‌ 航天服头盔喷有铝膜，用于隔热，也喷涂了黄金涂层，用作最外层的宇宙辐射反射层 铝镁合金以轻量化、高强度、耐腐蚀、热稳定等特性，成为航天服外层材料的理想选择，兼顾防护效能与宇航员活动灵活性需求。 思考：金属材料在航天服中的应用体现了金属的哪些性质？ 铝镁合金抗拉强度可达200-400兆帕，且通过热处理工艺可进一步提升强度。这种特性使其能够抵御太空环境中微陨石、碎片等高速冲击，保护宇航员安全‌ 以Ti-6Al-4V（TC4）为代表的钛合金密度仅为钢材的60%（约4.43g/cm³），抗拉强度达800-1100MPa，在同等承压能力下可显著降低关节部件重量，提升宇航员活动灵活性‌ 铝镁合金和钛合金表面都易形成致密氧化膜，能有效抵抗太空环境中的原子氧、辐射等腐蚀性介质，确保材料在长期任务中的稳定性‌ 密度小质量轻 耐腐蚀耐辐射 硬度大强度高 01 03 02 学习活动二:航天服中的金属材料 铝镁合金和钛合金以轻量化、高强度、耐腐蚀、热稳定等特性，成为航天服外层材料的理想选择，兼顾防护效能与宇航员活动灵活性需求。 航天服中的无机非金属材料 03 学习活动三:航天服中的无机非金属材料 面罩：耐辐照高纯石英玻璃 普通玻璃是一种硅酸盐材料，属于无机非金属材料，在日常生活和生产中具有重要作用。 玻璃通常是用石英砂、石灰石按一定的质量比混合，经高温烧制而成。 航天服面窗采用类似空间站窗户的四层复合设计，最外层为耐辐照高纯石英玻璃，可抵御宇宙射线和微陨石冲击；中间层为抗压微晶玻璃，承受0.3MPa以上的压力差；内层防刮涂层玻璃确保视野清晰。这种结构在保持3mm厚度的同时实现超强防护‌ 学习活动三:航天服中的无机非金属材料 石英砂 主要成分SiO2 石灰石 主要成分CaCO3 纯碱 成分Na2CO3 玻璃的制作原料 Na2CO3+SiO2高温Na2SiO3+CO2↑ CaCO3+SiO2高温CaSiO3+CO2↑ 学习活动三:航天服中的无机非金属材料 小玻璃，大用途 光纤玻璃 防弹玻璃 光学玻璃 学习活动三:航天服中的无机非金属材料 从沙子到芯片——二氧化硅的重要用途 SiO2+2C===Si + 2CO↑ Si+3HCl====HSiCl3 + H2↑ HSiCl3+H2===Si + 3HCl↑ 高温 高温 250℃ 二氧化硅不仅是芯片原材料的起点，更是制造过程中不可或缺的功能材料，其绝缘、隔离、掩蔽等特性贯穿芯片制造全流程‌ 航天服中的有机合成材料 04 学习活动四:航天服中的有机合成材料 气凝胶隔热层‌ 二氧化硅气凝胶作为航天服中间隔热层，可在真空环境下保持宇航员体温稳定（温差波动＜±2℃）‌ 外层防护层 环氧树脂与碳纤维/芳纶纤维复合形成的预浸料，其固化后玻璃化转变温度（Tg）达280℃，可承受0.4MPa压力载荷 贴身舒适层 采用高密度编织技术，涤纶纤维与聚四氟乙烯涂层复合。该材料在保持透气性的同时实现防辐射功能 贴身舒适层 防护层 资料卡片 芳纶纤维及涤纶纤维都属于有机高分子材料 什么是有机高分子材料？ 天然有机高分子材料，如棉花、羊毛、天然橡胶。 合成有机高分子材料（合成材料），如塑料、合成纤维、合成橡胶。 用有机高分子化合物制成的材料就是有机高分子材料。 大部分有机高分子化合物是由小分子聚合成的。 如淀粉 (C6H10O5)n 、聚乙烯塑料等。 学习活动四:航天服中的有机合成材料 有机高分子材料的分类 塑料的品种很多，用途也各不相同。使用最多的是聚乙烯塑料(PE )、聚氯乙烯塑料(PVC) 、聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃PMMA) 、酚醛树脂(电木PF)和聚四氟乙烯（塑料王）等。 学习活动四:航天服中的有机合成材料 塑料的分类 塑料具有比重轻、强度高、化学性质稳定、电绝缘性好、耐摩擦等优点。 学习活动四:航天服中的有机合成材料 塑料的分类 学习活动四:航天服中的有机合成材料 塑料的危害 合成材料的应用与发展大大方便了人类的生活，但是，合成材料的废弃物的急剧增加也带来了环境问题，废弃塑料带来的“白色污染”尤为严重。 减少白色污染的措施 ·减少使用不必要的塑料制品，如用布袋代替塑料袋等； ·重复使用某些塑料制品如塑料袋、塑料盒等； ·使用一些新型的、可降解的塑料，如微生物降解和光降解塑料等； ·回收各种废弃塑料。 学习活动四:航天服中的有机合成材料 纤维的种类 学习活动四:航天服中的有机合成材料 航天服中的复合材料 05 学习活动四:航天服中的复合材料 气密层 复合材料 航天服中的气密层使用碳纤维复合材料，作为航天服支撑和保护的核心材料，其抗拉强度达3500MPa以上，重量仅为钢材的1/4，可显著降低航天服整体重量并提升抗冲击性能‌ 复合材料是由两种或两种以上不同性质质的材料,通过物理或化学方法复合在一起制成的新材料。 复合材料与它的组成材料相比，具有强度高、密度低、加工成型方便、弹性优良、耐化学性腐蚀和耐高（低）温性好等特点，是一类更具有广阔发展前景的新型材料 学习活动四:航天服中的复合材料 复合材料的种类 在塑料（有机合成材料）中加入玻璃纤维（无机合成材料）制成的，既有玻璃般的透明性或半透明性，又具有钢铁般的高强度。 掺有金属短纤维、碳纤维、有机高分子材料等复合物，兼具刚性和韧性的结构件，已应用于舱外航天服的关节活动部件和头盔框架‌ 合金钢（金属材料）和合成橡胶（有机合成材料）形成的复合材料，形成刚柔并济的力学特性，适用于动态负载场景 碳纤维复合材料 机动车轮胎 玻璃钢 01 03 02 学习活动四:航天服中的复合材料 航天服中的材料 材料类型 抗拉强度 耐温范围 功能特性 金属材料 （钛合金和铝镁合金） 800-1100MPa -253~+600℃ 高强度低密度适配轻量化需求 无机合成材料 - -270～+650℃ 超低导热系（气凝胶隔热层） 有机高分子材料 25MPa -120～+400℃ 阻燃/抗菌/柔韧性1（有机硅合成革） 复合材料 ≥2800MPa -180～+300℃或-196～+260℃或-270～+650℃ 轻量化结构支撑47/抗微陨石冲击28（碳纤维复合/芳纶纤维复合）；超低导热系（气凝胶隔热层，虽为无机但在此作为复合材料的一部分考虑时） 共筑航天强国梦 06 神舟问天，星河筑梦 潜心深耕，问鼎苍穹 THE END Lavf58.46.101 Lavf58.46.101 Lavf58.46.101 $$