国家?73”计划“高聚物成型模拟?qing)模兯计制造中的关键问题研I”项目是q镉K院士作ؓ(f)首席U学Ӟ联合国内11家单位共同承担，以国家战略领域和国家支柱产业高聚物制品成型和模具设计刉ؓ(f)背景Q致力于解决高聚物结构制品的“成型”“成性”“服Ҏ(gu)”和“工艺控制及(qing)模具优化”等关键问题Qؓ(f)我国由制造大国向刉强国{变提供理论和技术支撑?
10?7日早??0分，搭蝲舟十一可人飞船的长征二号Fq蝲火箭Q在酒泉卫星发射中心(j)点火发射Q约575U后Q神舟十一可人飞船与火箭成功分离Q进入预定轨道，利景鹏、陈冬两名航天员送入太空Q飞行乘l状态良好，发射取得圆满成功?
我国自行研制的飞天航天服
两天后，载h飞船承蝲两名航天员与天宫二号利q行Ҏ(gu)Qƈ开始开展多空间科学实验与I间应用Q特别是I间站运行轨道的交会(x)Ҏ(gu)技术。航天员q入天宫二号I间实验室后进行中期驻留试验，考核l合体对航天员生zR工作和健康的保障能力，以及(qing)航天员执行飞行Q务的能力Q这ؓ(f)我国载h航天工程战略的第三步I间站徏设迈出扎实的一步?
Z(jin)探烦(ch)宇宙奥秘Q航天员必须I着选用Ҏ(gu)材料、特D工艺、特D技术加工的航天服进行太I飞行，甚至zd。在航天服上Q头盔上的航天面H是重要的部件之一Q它不仅直接影响着航天员对外太I的观察Q同时也时刻关系着航天员的生命安全Q?
刉航天面H条件极其苛?
2008q??7日，航天员翟志刚w着我国自行研制的“飞天”宇航服在太IZ留下?jin)中国宇航员的n影，q也让中国成为第三个掌握太空技术的国家。当志刚透过头盔上的航天面窗看到太空Q向太空伸出双臂Q作天面H的研制者，我们感到?jin)无上的骄(jing)傲和自豪?
航天服一般由压力舱、头盔、手套和靴子l成Q分舱内服和舱外服两cR头盔面H组件是宇航员在外太I活动时观察外界的窗口，可以说是宇航员的“眼睛”，它不仅要l宇航员提供一个清晰、良好的视野Q也是航天员生命保障最关键的部件之一?
当然Q航天面H不同于我们qx骑摩托R时戴的头盔上的面H，因ؓ(f)Q太IZ有太苛刻的温差条Ӟq有C清的不可预料的危险，q些都对航天面窗的材料和设计提出?jin)异常苛ȝ要求?
首先Q航天面H要能承受太I极端的温度环境。由于太IZ没有I气传热和散热，航天面窗受阳光直接照的一面，可生高?00℃以上的高温。而背阴的另一面，温度则可低至零下100℃以下。所以，航天面窗首要的就是要能够承受极端的热胀L(fng)作用?
其次Q航天面H必L零缺陗由于太IZ是零大气压，M~陷都会(x)使航天员暴露在太IZQƈ面临失压、缺氧、低温和辐射损伤4大危险。如果h直接暴露于太I，~氧会(x)把hq速窒息而死。同Ӟ没有?jin)大气压Qh也会(x)因内脏、器官的胀裂而立M命。ƈ且，在太I零?69℃的低温环境，Z?x)立d歅R?
实验表明Q如果宇航服快速减压，那么宇航员将?5U后M——这正是w体用光体内所有氧气的旉?
再其ơ，航天面窗要能阻隔太空辐射。因为没有了(jin)地球场和大气层的保护，宇航员会(x)受到外太I更强烈的辐伤実?
最后，太空中还存在着C清的I间片。由于航天员在飞Ҏ(gu)者空间站外活动时Q随旉可能遇到来自太空h_高动能的I间片冲击Q因此，航天面窗在遇到这些碎片的时候，必须能够抵Mhq些毫无防备的高动能I间片的冲凅R?
刉航天面H是个不单的技术活
既然刉航天面H的条gq么苛刻Q那么，透明的航天面H又是什么材料做成的呢？
其实我们对它q不陌生Q它是一U工E塑料，一U与我们戴的眼镜、汽车R灯灯|一L(fng)?wi)脂——聚酸酯或聚碳酔R的共聚合物?
聚碳酔R是一U线型碳酸聚酯，分子中碳酸基团与另一些基团交替排列，属于分子链中含有酸酯基的高分子聚合物。聚酸酯是几乎无色的玻璃态的无定形聚合物Q但是它的强度和光学性能是无与u比的?
然而，׃聚碳酔R的分子量大、分子链刚硬、黏度大、流动性能差，因此要用它来造成成型性能差，制品内应力大Q环境应力媄(jing)响大Q易变Ş和开裂，q些都给头盔上航天面H的成型加工带来较大的难度?
“明知山有虎Q偏向虎p。”虽然聚酸酯的脾气如此不好Q但我们q是得将航天面窗成型。多U实验研I后Q我们决定采用一U最通用的工E塑料成型方式——注塑成型?
在成型过E中Q非牛顿的塑料熔体在压力的驱动下通过道、浇口向较低温度的模具型腔充填。这个过E中Q熔体一斚w׃模具传热而快速冷_(d)另一斚w因高速剪切生热量。同Ӟ伴随有熔体固化、体U收~、取向和可能的结晶等复杂的物理变化，甚至伴有大分子和由小分子到大分子的化学变化?
有了(jin)q个q程Q工E塑料制品具备了(jin)优良的物理、力学性质和特定工作环境下的优服Ҏ(gu)能。而这个性能则来源于材料的组份与不同层次的结构，包括微纳c结构，不同层次的结构Ş成和演化又依赖于模具设计刉和工艺条g。可以说Q成型过E不仅材料获得一定的形状、尺寸，而且也赋予材料最l的l构与性能?
围绕q个NQ从2007q始Q郑州大学国家橡塑模具工E研I中?j)科研团队，开始了(jin)宇航服头盔航天面H的研发工作?
在无Ml验借鉴情况下，我们团队l合面窗的用环境和使用功能Q最后采用光学聚碳酔R作ؓ(f)?wi)脂Q结合数值模拟技术，设计加工_֯模具Q采用注塑成型方法，研制出宇航服头盔面窗制品Qƈ通过Ҏ(gu)外层面窗q行U米金涂层以阻隔太空的外线?
目前Q航天面H已成功应用到神舟七号飞船宇航员服、神舟九(ji)号宇航员舱内服上。我们的研制团队作ؓ(f)全国20个获奖集体之一Q也荣获“中国蝲天工E突A(ch)献”奖励?
直面压力l箋服务好航天事?
2008q_(d)提神七发成功后Q国Z直都感到无比的骄(jing)傌Ӏ然而，国NASA却在2010q专门提Z(jin)一个关于中国航天服的报告。这个报告特别指出，中国的舱外活动只持箋?8分钟Qƈ没有l历长期的考验。而这Q成Z(jin)我们C代航天面H的研制工作的v炏V?
2012q_(d)郑州大学联合中国U学技术大学、上交通大学、四川大学、华南理工大学、华中科技大学、西北工业大学、中国科学院数学与系l科学研I、大q理工大学、中南大学、机械科学研I总院{，承担?jin)国家?73”计划项目“高聚物成型模拟?qing)模兯计制造中的关键问题研I”?
目以新一代航天面H研制ؓ(f)背景Q围l复杂多Z用下高聚物材料不同层ơŞ态结构的演变规律、成型过E中高聚物复杂流体的跨尺度计理论、成型后高聚物制品性能和服役行为的跨尺度分析、成型工艺控制和模具设计的多目标优化理论和方法等关键U学问题开展研I?
q个目首先要解册天面H的寿命和老化问题Q以?qing)如何从材料—成型工艺—品后处理改变大分子结构等各种手段来实现老化性能提高。其ơ解x料—成型工艺—模兯计—光学性能之间的关p，阐明影响透明塑料件光学性能的分子动力学原因以及(qing)成型引v的分子取向与光学行ؓ(f)Q所引v的光畸变Q等Q最后是解决极端环境下品的强度分析问题{?
l过4q的研究Q项目组取得?jin)一pd成果Qƈ成功应用到我国新一代航天面H的研制中?
Z(jin)提高航天面窗的抗老化性能Q项目组研究?jin)聚酸酯热E_性，提出随机断链/末端断链反应动力学模型来描述降解动力学过E。同时利用高能伽马射U辐照制备出不同拓扑l构的长链支化聚酸酯，随着镉K支化l构的引入，以及(qing)镉K支化q程中Ş成的化学支化点及(qing)分子铄l作用有效改善了(jin)聚碳酔R的耐环境应力开裂性能?
针对聚碳酔R的外线辐射老化问题Q我们徏立了(jin)聚碳酔R/U米二氧化钛复合材料Q采用金U石型纳c二氧化钛可以吸收和散射紫外U，同时Z(jin)降低金红矛_聚碳酔R的催化降解作用，最大限度提高聚合物的耐外老化性能Q选用二氧化硅对纳c二氧化钛进行包覆，有效提高?jin)聚酸酯的耐外老化性能q屏蔽外线?
Z(jin)控制和调控航天面H的光学性能Q项目组通过对聚酸酯制品的2D-SAXS信号分析Q将制品中分子链的取向程度与光学畸变q行兌Q得C(jin)注射条g与制品光学畸变的内在兌Q揭CZ(jin)注射速率、熔体流动方向以?qing)样品内部层ơ与制品光学畸变之间的关pR?
同时Q项目组利用注塑成型模拟理论得到成型q程的温度场、压力场的动态分布以?qing)制品应力场的分布，利用介质折射率与克分子极化强度之间关pȝzu?zu茨光学理论，建立起制品密度场和折率Z间的关系Q再利用늣理论中的菲涅?dng)公式，计算得到反射光强度和折射光强度，最后计得到制品的透光度场。这些工作ؓ(f)优化成型工艺Q调控品内部结构，q而控制品光学性能奠定?jin)理论基?
Z(jin)实现航天面窗的成型—结构一体化分析Q项目组建立?jin)三l的l一的气—液两相模型和运动界面追t的水^集方法，利用光滑_子体动力学方法，在拉格朗日框架下模拟?jin)航天面H充模过E的三维动行ؓ(f)。ƈ通过聚碳酔R材料不同应变率和温度下的单u拉和压~试验，建立?jin)聚酸酯的拉—压~统一本构模型。本构模型能有效的描q聚酸酯的应变率相x应、温度相x应、Y化、硬化、拉伸压~性能不对U等复杂力学性能特征Qؓ(f)合理预测航天面窗的服役行为奠定了(jin)重要基础?
随着我国载h航天工程战略的第三步I间站徏讄临近Q我们希望利用工E塑料制造的C代航天面H不仅给航天员提供了(jin)观察太空世界的眼睛，更要像保护眼睛一样保护着我们航天员的生命?
