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    What?太空里也需要“防腐”?!

    2017年4月21日 作者:中国科普博览

    出品:科学大院(ID:kexuedayuan)

    作者:宋影伟(中国科学院金属研究所) 韩恩厚(中国科学院金属研究所/中国科学院沈阳分院)

    监制:中国科学院计算机网络信息中心 中国科普博览

    编者按:

    每年的4月24日,是世界腐蚀日(Corrosion Awareness Day),生活中,我们总听到某某金属材料生锈,这就是最常见的腐蚀现象。其实,腐蚀无处不在,对于材料来说,它就像“癌症”一样顽固而且危害巨大。那么,除了生锈,还有哪些腐蚀现象?关于腐蚀,材料学家们又如何攻克它?我们先从太空中的腐蚀说起。

    浩瀚的宇宙中存在着无数的奥秘,它无时无刻不在吸引着人类去探索、发现。为了揭开其神秘面纱,世界各国相继借助于各种航天器访问太空,并建立了可供多名宇航员长期工作和生活的空间站。广袤无垠的宇宙是不是最理想的世外桃源呢?很遗憾,太空的真实环境非常不友好!

    复杂的太空环境不但对航天器的光机电系统带来了严峻的考验,而且对航天器的“外衣”也提出了严酷的要求。有人可能认为,太空既然是高真空环境、没有水存在,航天器应该不会像地球上那样发生腐蚀吧。然而,事实并非如此。

    浩瀚的太空及太空中飞行的航天器

    不容忽视的太空腐蚀

    让我们先来看两个例子。

    和平号空间站是前苏联建筑的一个轨道空间站(苏联解体后归了俄罗斯),它是人类首个可长期居住的空间研究中心,在长达15年的在轨时间里,和平号共发生近2000处故障,70%的外体遭到腐蚀,俄罗斯政府无力承担巨额的维修费用,在2001年3月20日不得不将其坠毁。

    美国的哥伦比亚号航天飞机,2003年在执行完任务返回地面途中不幸失事,机组成员全部失踪

    还有美国著名的哥伦比亚号航天飞机的例子,美国哥伦比亚号和空间运输系统-107机组人员于2003年2月1日折返途中丢失,尽管哥伦比亚号事故调查部(CAIB)排除了是航天器腐蚀造成事故的可能,但却提出了要求采取长期的腐蚀检测措施的议案。可见,航天领域的腐蚀不容忽视。

    人类探索太空的脚步越来越快,越来越多涉足太阳系的其他星球,在这些星球航天器是否也会发生腐蚀呢?据介绍,科学家在火星大气上部被称为中间层的区域探测到了原子氧,另外,还发现金星表面温度高达400多度,其云层由有毒的腐蚀性较强的硫化物组成等等。由此可见,太阳系其他星球的环境对航天器也是不友好的,这些因素都会加速航天器材料的腐蚀。

    那么,太空中究竟有哪些环境因素会对航天器造成腐蚀呢?

    太空环境中的腐蚀因素

    太空不仅有宇宙大爆炸时留下的辐射,还有各种天体也在向外辐射电磁波,甚至许多天体还向外辐射高能粒子,形成宇宙射线。众所周知,宇航员出仓行走都要穿着厚厚的宇航服,主要就是为了避免强辐射太空环境带来的对人体的危害,其实,强辐射环境对航天器的伤害亦十分严重。

    其中,短波太阳辐射会导致氧分子分解,产生高活性原子氧,原子氧具有极强的氧化性,可与空间飞行器的表面材料反应,尤其是当原子氧遇到聚合物材料,发生的反应更剧烈。原子氧所形成的高热能离子流足以使航天器材料中的许多化学键破裂,导致材料发生性能变化,例如使卫星、空间站等在轨航天器的保护层逐渐氧化变薄失效。即使是金属材料,在原子氧的作用下也会发生明显的腐蚀氧化。NASA(美国国家航空航天局)等科研机构所开展的飞行实验、长期暴露实验和有限期选择性暴露实验都进一步证实了这一点,我国的实验室也有相关实验数据支撑。

    太阳紫外线辐射是导致材料失效的另一重要因素。紫外线虽然仅占太阳光的5%左右,但是能量却很大。在太空中,由于缺少大气层对紫外线的阻挡,航天器会完全暴露在极强的紫外线辐射之下。高分子聚合物制品吸收紫外线后,能引发聚合物自我氧化、降解,破坏聚合物的化学键,使其断裂、交联,进而导致高分子聚合物制品颜色等外观发生改变和物理力学性能发生恶变、使用寿命缩短。

    此外,太空中极端的温度环境也会加速航天器材料的失效。航天器在太空中飞行,处于真空的环境下,由于没有空气传热和散热,故其受阳光直接照射的一面可产生高达100℃以上的高温,而太阳照射不到的另一面,温度则可低于-200℃。极端温度和大幅度冷热交变会影响材料中的应力,尤其在高温环境中进一步加速导致材料失效的化学反应进程,降低材料的安全服役寿命。

    太空垃圾包围下的地球

    另外,大量存在的太空垃圾也严重影响材料的安全使用性能。太空垃圾又称空间碎片,是围绕地球轨道的无用人造物体,小到人造卫星碎片、漆片、粉尘,大到整个飞船残骸都属于太空垃圾。全世界各国共执行了超过4000次的发射任务,产生了大量的太空垃圾。太空垃圾以宇宙速度运行,极小的太空垃圾数量较多,一旦撞击到航空器表面,能严重改变材料的表面性能;稍大的太空垃圾会损坏航天器表面材料,形成撞击坑,这些撞击会使航天器表面材料汽化为等离子体云团,加速材料的失效进程。

    太空防腐:为航天器穿上保护衣

    通过上面的介绍,我们可以看到,如果航天器在如此复杂的太空环境中长期运行,腐蚀就是无法避免的。

    为了确保航天器的安全运行,世界各国材料方面的科学家对减少航天器材料腐蚀这一课题进行了积极的研究和探索。

    研究表明:控制航天器在太空中发生腐蚀的主要方法包括:选择和发展耐热、耐极低温、耐热震、抗疲劳、抗腐蚀的高性能材料;采用涂层和涂料技术。对于航天器外部腐蚀控制,最重要的技术是防护涂层,如电镀、化学镀、真空离子镀、阳极氧化、化学气相沉积、涂料等。通过表面处理技术形成新的表面,可有效提高结构的耐高温、隔热、抗腐蚀、抗氧化等性能。

    我国的众多航天型号神舟、天宫、嫦娥等等也都需要解决腐蚀防护问题,包括地面存放时不发生腐蚀,太空使用环境中要能抵抗太空原子氧腐蚀,同时要满足电磁屏蔽、冷热循环等综合性能要求。为了实现减重,航天器使用大量轻合金,镁合金是减重常用材料,但其腐蚀问题成为关键技术难题。

    中国科学院金属研究所这方面做了很多工作,科研团队自主研发的镁合金化学镀技术在满足了若干航天器的使用要求,下图是在嫦娥三号上使用的采用化学镀技术处理后的镁质航天器部件。

    嫦娥三号探测器及化学镀后的嫦娥三号用镁质航天器部件

    此外,针对不同使用条件下部件对耐腐蚀性的不同要求,金属所科研人员研究的镁合金自封孔型微弧氧化技术耐蚀性比传统技术提高4~5倍,可同时满足地面储存耐腐蚀、使用时高低温、强辐射等综合性能要求,已在长征系列运载火箭的镁质贯组支架上使用。这些航天器的成功发射也证明了以上防护涂层技术的安全可靠性和先进性。

    微弧氧化防护后的长征火箭用镁质贯组支架

    太空中针对航天器的破坏无时无刻不在,这是没有硝烟的战场。让我们行动起来,利用自己的聪明才智,在人类探索宇宙的过程中留下一串深深的足迹……

    (本文首发于科学大院,转载请联系cas@cnic.cn)

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