第368章 材料（2 / 2）

因为当天体达到一定的质量以后，其内部自然而然就会出现这样的的反应。

这是由于天体的质量太大，所产生的重力太大，自然而然就会将大量的原子往自已的中间挤压。

在这个过程之中，原子之间不断的挤压做功坍塌就会引发出强烈的能量。

这些其实都是原子能。

人类从诞生以来到觉醒，文明到最后掌握核能，其中每一步都走得十分的困难。

回顾过往，或许觉得人类似乎都比较轻易，可是真正处在历史潮流之中就会明白这些事情每一次的诞生，每一次的努力，最终是能造成的结果。

况且人类现在所掌控的核能也永远不是聚变反应还是处于一个较为基础前期的裂变反应，两者之间的差距也是极其巨大的。

事实上简单来说，人类目前的情况仅仅只是简单的掌握了一些。关于核能方面的知识，最多可以算是一个初学的入门者。对于更深刻更高端的知识，目前的人类来说，还有好多都没有办法解决。

毕竟限制一样事物的诞生，有时候不仅仅是理论或者说是技术，相反材料也是一个很重要的关键。

就像灾变爆发之前的科技文明时代人类，其实那时候在理论上人类已经对于核武器或者说核能的利用有了进一步的认识。

比如对于可控核聚变，可以说人类在理论上对于实现这种对于当时人类来说，清洁的几乎无限的能源有了详实的、可实现的方式方法。

然而，迫于当时在材料学上的限制，即便对于核能、可控核聚变有了进一步深入的认识，已经到了临门一脚，可实现边缘，但人类依旧没有办法进一步对这一项展开研究。

事实上，在科技文明时代，人类的很多应用上的科技，都是因为材料的缘故，所以使得许多在理论上成立的东西，可在实际过程之中却是天差地别。

比如航空发动机，就是一个典型案例。

航空发动机被誉为现代工业“皇冠上的明珠”，其性能和可靠性要求极高。在航空发动机的研制过程中，材料学起着至关重要的作用。由于一些关键材料达不到要求，这就会导致在航空发动机领域的科技应用一度滞后。

首先，航空发动机需要在高温、高压、高转速的极端环境下长时间可靠运行。例如，涡轮叶片需要承受高达数千摄氏度的燃气温度，这就要求叶片材料具备极高的耐高温性能、强度和抗氧化性能。然而，很长一段时间内，我国在高温合金等先进材料的研发和生产方面与国际先进水平存在差距。材料的耐高温性能不足，使得涡轮叶片在高温下容易变形、损坏，严重影响发动机的性能和寿命。

其次，航空发动机的风扇叶片、压气机叶片等部件也需要高强度、高韧性的材料。这些材料不仅要能够承受巨大的离心力和空气动力载荷，还要具备良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性能。由于材料学的限制，在这些关键部件材料的研发上进展缓慢，导致发动机的整体性能和可靠性难以得到有效提升。

此外，航空发动机的制造还需要大量的特殊材料，如陶瓷基复合材料、钛铝合金等。这些材料具有优异的性能，但研发难度大、成本高。在这些材料的产业化应用方面还面临诸多挑战，这也在一定程度上制约了航空发动机技术的发展。

可以说，如果航空发动机所使用的材料能够满足需求，那么人类是完全能够制造出更加强大的，马力更加强悍，性能更卓绝的航空发动机。

发动机的叶片材料要是能够突破材料的限制，人类制造出来的航空火箭以及航空飞机都将能够拥有更大的载力，更快的速度。

此外，除了航空航天领域之外，还有像是半导体领域。碳化硅半导体材料是第三代半导体材料的代表之一，具有耐高压、耐高频、耐高温等优点，在新能源汽车、智能电网、5G 通信等领域具有广阔的应用前景。

然而，碳化硅材料的制备难度大、良率低、产能小，导致其成本较高，限制了它在半导体领域的大规模应用。例如，在新能源汽车的功率电子器件中，虽然碳化硅器件能够提高电动汽车的续航里程和充电速度，但由于碳化硅衬底的成本较高，使得整车的成本增加，影响了碳化硅器件在新能源汽车领域的渗透率。

如果能够在这方面解决材料上的问题，那么在通信领域将有着重大的意义。

还有像光刻胶方面，光刻胶是半导体芯片制造过程中不可或缺的关键材料，其性能直接影响芯片的制程精度和良率。

此外，还有锂电池领域，比如固态电池电解质材料固态电池被认为是下一代电池技术的重要发展方向，具有高能量密度、高安全性等优点。

然而，固态电池的发展受到电解质材料的限制。目前，固态电解质材料的离子电导率较低、界面稳定性差，导致固态电池的性能难以达到理想状态。例如，氧化物固态电解质材料虽然具有较高的离子电导率，但在制备过程中容易产生裂纹，影响电池的性能；聚合物固态电解质材料的离子电导率较低，且在高温下容易软化，限制了其在高温环境下的应用。

另外还有锂硫电池正极材料，锂硫电池具有高理论能量密度、低成本等优点，但硫正极材料存在导电性差、体积膨胀大、穿梭效应等问题，导致锂硫电池的实际性能远低于理论值。这些问题的解决需要开发新型的正极材料或对硫正极进行结构设计和改性，但目前尚未找到一种有效的解决方案，限制了锂硫电池的实际应用。

至于医疗方面，还有人工关节材料以及心脏支架材料。

人工关节需要具备良好的生物相容性、耐磨性、耐腐蚀性和力学性能。目前，常用的人工关节材料有金属材料如钛合金、钴铬钼合金等、高分子材料如超高分子量聚乙烯等和陶瓷材料等。然而，这些材料都存在一定的局限性。例如，金属材料的弹性模量与人体骨骼相差较大，容易导致应力遮挡，影响骨骼的生长和修复；高分子材料的耐磨性和耐腐蚀性相对较差，长期使用可能会产生磨损颗粒，引发炎症反应；陶瓷材料的脆性较大，在使用过程中可能会发生破裂。

心脏支架是治疗心血管疾病的重要医疗器械，其材料需要具备良好的生物相容性、可降解性和力学性能。目前，常用的心脏支架材料有金属支架和可降解支架。金属支架虽然具有较高的力学强度，但长期存在于体内可能会导致血管内膜增生、再狭窄等问题；可降解支架在体内能够逐渐降解，避免了金属支架的长期并发症，但可降解支架的降解速率和力学性能的匹配是一个难题，过快的降解速率可能会导致支架在血管尚未完全修复之前失去支撑作用，影响治疗效果。

所以从这些方面来说，材料学对于人类整个科技文明的发展是有着至关重要的。

像可控核聚变，人类在理论上其实是已经掌握了，也验证过的，但一直受制于材料，没办法真正展开研究，更不用说进行实验，乃至于最后的大规模普及应用。

可控核聚变是一种利用轻核聚变为重核释放巨大能量的技术。

理论上来说就是指两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核，并释放出大量能量的过程。在太阳和其他恒星内部，就是通过核聚变反应产生能量的。

而对于人类来说，可控核聚变变主要利用氢的同位素氘和氚作为燃料，通过特定的反应方程式，使得氘和氚的原子核克服了库仑斥力，在高温、高压等特定条件下发生聚变，释放出巨大的能量。

实现可控核聚变的条件主要有三点，高温，高压，以及约束时间。

其中高温是实现核聚变的关键条件之一。在极高的温度下，原子核具有足够的动能，能够克服库仑斥力，接近到可以发生核聚变的距离。对于氘氚聚变反应，需要达到上亿摄氏度的高温。在这样的高温下，物质处于等离子体状态，即由带正电的原子核和带负电的电子组成的电离气体。等离子体具有独特的物理性质，如导电性、热传导性等。

第二个高压可以增加原子核的密度，提高核聚变反应的概率。在太阳内部，巨大的引力提供了高压环境。而在地球上实现可控核聚变，需要通过其他方式来产生高压，如磁场约束、惯性约束等。

而第三即使满足了高温和高压条件，核聚变反应也需要一定的时间才能持续进行。因此，需要将高温等离子体约束在一定的空间内，使其有足够的时间发生聚变反应。约束时间越长，核聚变释放的能量就越多。

在科技文明时代，人类对可控核聚变的实现方法，主要有两种：

一个是磁约束核聚变，另外一个是惯性约束核聚变。

磁约束核聚变是利用磁场来约束高温等离子体，使其在一定的空间内发生核聚变反应。目前，最具代表性的磁约束核聚变装置是托卡马克装置。

托卡马克装置通过强大的磁场将等离子体约束在环形真空室内，防止等离子体与装置壁接触而冷却。同时，通过加热等手段维持等离子体的高温状态，促进核聚变反应的进行。

磁约束核聚变的优点是可以实现连续运行，并且能够产生较高的能量输出。但目前磁约束核聚变技术还面临着许多挑战，如等离子体的稳定性控制、磁场的优化设计、材料的耐辐射性能等。

惯性约束核聚变是利用高功率激光或粒子束等手段，在极短的时间内对含有氘氚燃料的微小靶丸进行加热和压缩，使其达到高温、高压状态，引发核聚变反应。

当激光或粒子束照射靶丸时，靶丸表面迅速蒸发并产生反作用力，使靶丸内部的燃料被压缩到极高的密度和温度，从而实现核聚变。由于惯性的作用，在靶丸解体之前，核聚变反应能够持续一段时间。

惯性约束核聚变的优点是可以在较短的时间内产生极高的能量密度，并且装置相对较小。但目前惯性约束核聚变技术也存在着一些难题，如激光或粒子束的能量转换效率、靶丸的制备和定位精度、聚变反应的重复性等。

然而，在大灾变发生之前的人类科技世界，可控核聚变虽然有了清晰的方向和方法。

但是受制于材料，依旧没有办法完完全全说是达到可控的范畴。

事实上，满足可控核聚变的三个条件，高温、高压和约束时间，如果有一种或者几种材料，能够实现达到这样的条件，可控核聚变瞬间就变得无比简单。

这就像是一台蒸汽机或者内燃机一样。

在钢铁或者其他的金属等材料被发明运用出来前，人类想要实现蒸汽机和内燃机可以说是天方夜谭。

毕竟没有那样强的材料，根本上在最初的第一步就完全实现不了。

可有了这样的材料，那么不管是蒸汽机还是内燃机，在理论上已经成立的前提下，制作起来就十分的轻松容易。

而可控核聚变同样是如此。

现在对于人类来说，所谓的巨大难点，其实就是材料上达不到使用的需求。

若是材料能够达到，或者说这样的材料可以源源不断的生产出来，那么可控核聚变其实是真的能够变得普及和简单的。

就像曾经在人类文明尚未崩溃的前，有过一本流行颇广的科幻小说，里面就出现描述的外星人抵达地球所具备的飞船，对方竟然就是用很粗糙、简单的原始材料制作出来的。

为什么能够这样？

其实很简单，那就是那些外星人所身处的星球，重力不一样，所采用的材料的强度也不一样……

很多在普通人看起来匪夷所思的东西，在某些材料达到一定的强度之后却是一切都变得普通。

就像可控核聚变这样堪称是人类科技结晶和典范的存在，在人类文明时代都一直未能实现。

但如果真的有一天出现了一艘外星战舰的话，所拥有的就是可控核聚变的能量，其实也没什么稀奇的。

这本身不意味着对方在理论材料学上，比那时候的人类生出多少，更为关键的一点在于，有了那些特殊强度的材料，自然能够延伸出不同的工具。