中國粉體網訊 航天器在太空最怕什么？
腐蝕！
（來源：Pixabay）
航天器處于真空、無水的太空環(huán)境中也會被腐蝕嗎？其實，它所受到的腐蝕與我們理解的腐蝕有些相同，太空環(huán)境中的氣體分子或原子會吸附在材料表面，并通過化學反應造成材料的腐蝕。比如，“和平號”空間站作為美俄國際空間站合作計劃的一部分，是前蘇聯(lián)建造的第一個軌道空間站（蘇聯(lián)解體后歸俄羅斯）。據統(tǒng)計，它實際在軌工作的十多年時間里，共發(fā)生近2000處故障，其中70%的外體遭到腐蝕。所以，太空“反腐”，至關重要！
太空腐蝕有三大殺手：輻射、氧、溫度！
輻射
太空到處都存在著人類肉眼所看不見的宇宙輻射。它既包括宇宙大爆炸后所殘留的熱輻射，同時也包括其他天體向外釋放的電磁波、高能粒子甚至是宇宙射線。由于地球磁場與大氣層對宇宙輻射的偏折和吸收作用，才能保證人類在地球上的正常生活。可是，一旦脫離兩者的保護，完全暴露在這種強輻射環(huán)境中，即便是穿著厚重的宇航服，也不能完全避免宇宙輻射對人體的傷害。面對太空中如此高強度的輻射，航天器也會“深受其害”。
此外，未來的航天活動必然要向高軌道，乃至更遠更深的空間發(fā)展。而空間輻射環(huán)境是影響未來航天活動的一個重要因素。對于在地球附近運行的諸如“國際空間站”等低軌道航天器，由于受地球磁場的天然保護而遭受空間輻射的損害較少，而暴露在地磁層之外的空間則充滿了高能量的混合空間輻射場。此輻射場中的高能粒子等將可能穿透航天器的防護層，從而給航天器設備及航天員等帶來致命的危害。傳統(tǒng)的被動防護方法（增加質量屏蔽厚度）可以使航天員等盡量少受輻射的危害，但增加艙壁厚度的代價很高。
（來源：Pixabay）
太陽所釋放的紫外線輻射是引起航天器腐蝕失效的原因之一。盡管紫外線只占太陽光的5%左右，但是能量卻很大。太空中，由于缺少地球磁場及大氣層的“保護屏障”，航天器表面的高分子材料在吸收紫外線后會引發(fā)聚合物的自我氧化、降解。
此時，防輻射的陶瓷涂層或陶瓷纖維就可以派上用場了，如采用特殊的噴涂技術將陶瓷等材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，噴涂到航天器及重要設備上表面，可有效降低太空輻射對航天器的傷害。
氧
航天器剛剛脫離地球表面大氣層的保護時，首先接觸的便是低地球軌道環(huán)境（距離地球200-700km），該區(qū)域所處的殘余大氣中，氧含量約占總組分的80%。眾所周知，氧元素是造成材料腐蝕加速的重要條件。而在太陽短波輻射的光致分解作用下，氧分子轉變?yōu)楦呋钚缘脑友�，由于處于高真空及極低的氣體總壓狀態(tài)下，氧原子與其他粒子發(fā)生碰撞的幾率很小，導致氧原子很難再次復合成分子態(tài)。當高速運行的航天器與原子氧發(fā)生劇烈的摩擦、碰撞時，航天器表面的聚合物材料會發(fā)生高溫氧化反應，使其電學、光學以及機械性能等方面發(fā)生退化，甚至會引起明顯的剝蝕效應，嚴重影響航天器的運行安全。
1995年，Sil-verman在美國國家航天局(NASA)提交的研究報告中給出了空間環(huán)境因素對飛行任務的影響程度，其中對低地球軌環(huán)境影響最大的是原子氧。包覆航天器外表面大部分區(qū)域的多層隔熱組件，其面膜多是有金屬涂層的聚合物薄膜。在低地球軌環(huán)境，雖然原子氧的密度并不高，但撞擊到高速飛行的航天器表面的原子氧的能量約為4.5eV，這會引起聚合物的氧化和粘結破壞。保護熱控材料免受原子氧侵蝕的方法一般是在其外表面包覆SiOx薄膜、氧化銦錫(IndiumTinOxides，ITO)透明導電膜等。
溫度
在航天器的太空旅行中，除了要面臨宇宙輻射及原子氧的威脅外，還需要接受極為“苛刻”的溫度挑戰(zhàn)。真空環(huán)境中，由于缺少空氣的傳熱和散熱，航天器表面受陽光直接照射的一面，其溫度將高達100℃以上，而陽光照射不到的一面，溫度則可低至-200℃。這種極端的溫度條件和大幅度的冷熱交變會影響材料的應力，并可能造成航天器“外衣”的斷裂、分層甚至脆化，極大的縮短其安全服役壽命。
另一方面，航天器超高速在大氣中飛行時，由于激波壓縮、粘性摩擦等作用，造成壁面附近氣溫升高，高溫空氣不斷向低溫壁面?zhèn)鳠�，引起強烈的氣動加熱。對航天器外表面的耐磨與耐熱是個極大的考驗。
HfB2、ZrB2、ZrC等陶瓷材料可以用于超高溫陶瓷涂層。隨著超高聲速飛行器的發(fā)展，對其表面抗燒蝕和抗大氣沖刷的要求也越來越高，HfB2、ZrB2、ZrC等超高溫陶瓷作為高溫涂層材料對提升飛行器表面的抗燒蝕和抗沖刷能力有著不可替代的作用。
總結
要想盡大可能的避免太空腐蝕，就要選擇抗輻射、抗氧化、耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦的材料。通過使用合適的結構材料與表面涂層材料是最為關鍵的。而陶瓷除了具備抗輻射、抗氧化、耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦的優(yōu)點外，還具有高強度、高硬度、耐酸堿、理化性能穩(wěn)定等特點，是一種十分重要的航空航天材料。
例如，新型碳化硅增強鋁基復合材料，具有重量輕、比剛度好、耐磨性好、熱膨脹系數小、導熱系數高、寬溫度范圍下尺寸穩(wěn)定等特點，被用于“祝融號”機殼的一部分，助力我國自行研制的“天問一號”開展火星探測。
由上海交通大學研制的納米陶瓷鋁合金將陶瓷和鋁結合起來，兼具了兩者的優(yōu)點，強度和剛度甚至超過了“太空金屬”鈦合金。據了解，該材料已經用于天宮一號、天宮二號、量子衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等關鍵部件翱翔于太空。
參考來源：
[1]陳世適.“四極型”防輻射航天器構架設想
[2]石進峰等.多層隔熱材料飛行試驗研究綜述
[3]科學大院
（中國粉體網編輯整理/山川）
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