46. 太空梭在重返地球時，會與大氣層的空氣劇烈摩擦，產生超過攝氏千度的高溫，因此太空 梭外殼必需使用最佳的耐熱材料。下列何種材料，最適合做為此用途？
(A)金屬材料
(B)玻璃材料
(C)塑膠材料
(D)陶瓷材料

讓我們分析太空梭重返地球時的情況，並判斷哪種材料最適合作為其外殼的耐熱材料。

背景知識：
• 太空梭重返地球的條件：
◦ 太空梭以極高速度（約 7.8 km/s，超過音速 20 倍）進入大氣層。
◦ 與大氣層空氣劇烈摩擦（實際上是空氣壓縮形成激波，shock wave），導致溫度急劇升高，最高可達 1600°C 至 3000°C（遠超攝氏千度）。
◦ 太空梭外殼需要承受這種極端高溫，同時保護內部結構和乘員。
• 耐熱材料的需求：
◦ 材料必須具有高熔點（耐高溫）。
◦ 低熱傳導率（防止熱量傳到內部）。
◦ 高強度和耐衝擊性（承受氣動壓力和振動）。
◦ 耐氧化性（大氣層中的氧氣會與材料反應）。

逐一檢視選項：
(A) 金屬材料
• 特徵：
◦ 金屬（如鋼、鋁、鈦）通常有較高的熔點（例如鋁熔點約 660°C，鋼約 1370°C，鈦約 1668°C）。
◦ 但太空梭外殼溫度可達 1600°C 至 3000°C，超過大多數金屬的熔點。
◦ 金屬的熱傳導率高（例如鋁約 237 W/m·K），熱量容易傳到內部，燒毀內部結構。
◦ 金屬在高溫下易氧化，失去強度。
• 結論：
◦ 金屬不適合作為太空梭外殼的主要耐熱材料（雖然某些高熔點合金如鎳基合金可用於次要部件，但不作為主防熱層）。
(B) 玻璃材料
• 特徵：
◦ 普通玻璃（如矽酸鹽玻璃）的軟化點約 600°C，熔點約 1500°C，無法承受 1600°C 以上的高溫。
◦ 玻璃熱傳導率較低（約 1 W/m·K），但強度低，易碎，無法承受重返時的機械應力和振動。
◦ 特種玻璃（如石英玻璃，熔點約 1700°C）耐熱性稍好，但仍不夠，且脆性問題無法解決。
• 結論：
◦ 玻璃材料不適合。
(C) 塑膠材料
• 特徵：
◦ 塑膠（如聚乙烯、聚氯乙烯）熔點極低（通常 100°C 至 300°C），遠低於太空梭重返時的溫度。
◦ 塑膠在高溫下會分解、燃燒，且強度極低，無法承受機械應力。
• 結論：
◦ 塑膠材料完全不適合。
(D) 陶瓷材料
• 特徵：
◦ 陶瓷材料（如氧化鋁、碳化矽、矽基陶瓷）具有極高的熔點（通常超過 2000°C，例如氧化鋁熔點約 2072°C）。
◦ 熱傳導率低（例如氧化鋁約 30 W/m·K，遠低於金屬），能有效隔熱，保護內部結構。
◦ 耐高溫氧化（陶瓷在高溫下穩定，不易與氧氣反應）。
◦ 實際應用：
▪ 太空梭（如美國的航天飛機）使用陶瓷防熱瓦（Thermal Protection Tiles）作為主要耐熱材料。
▪ 這些防熱瓦由二氧化矽（SiO₂）基陶瓷製成，內部為多孔結構（90% 以上為空氣），密度低（約 0.14 g/cm³），既耐熱（可承受 1650°C 以上）又輕質。
▪ 此外，某些高溫區域（如機頭和機翼前緣）使用強化碳-碳複合材料（RCC），表面塗覆陶瓷塗層（如碳化矽），可承受 3000°C。
◦ 陶瓷的缺點是脆性，但通過複合材料設計（如陶瓷基複合材料，CMC）可提高韌性。
• 結論：
◦ 陶瓷材料是最適合的選擇。

結論：
• 太空梭重返地球時，外殼需要承受極端高溫（1600°C 至 3000°C），並具備低熱傳導率和耐氧化性。
• 陶瓷材料（如二氧化矽基防熱瓦）是最佳選擇，實際上也被廣泛應用於太空梭的熱防護系統。
正確答案：(D) 陶瓷材料

補充：
• 太空梭熱防護系統（TPS）：
◦ 美國航天飛機（如哥倫比亞號、發現號）使用約 3 萬塊陶瓷防熱瓦，覆蓋機身表面。
◦ 高溫區域（如機頭）使用強化碳-碳複合材料，塗覆陶瓷塗層。
• 為什麼不用金屬？
◦ 雖然某些高熔點金屬（如鎢，熔點 3422°C）理論上可耐受高溫，但其熱傳導率高（鎢約 173 W/m·K），會將熱量傳到內部，且密度大（鎢 19.25 g/cm³），不利於太空梭的輕量化設計。