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What?太空裏也需要“防腐”?

http://finance.sina.com   2017年04月20日 18:44   北京新浪網

  來源:科學大院微信公衆號

  編者按:

  每年的4月24日,是世界腐蝕日(Corrosion Awareness Day),生活中,我們總聽到某某金屬材料生鏽,這就是最常見的腐蝕現象。其實,腐蝕無處不在,對於材料來说,它就像“癌症”一樣頑固而且危害巨大。那麼,除了生鏽,還有哪些腐蝕現象?關於腐蝕,材料學家們又如何攻克它?我們先從太空中的腐蝕说起。

  浩瀚的宇宙中存在着無數的奧秘,它無時無刻不在吸引着人類去探索、發現。為了揭開其神秘面紗,世界各國相繼借助於各種航天器訪問太空,並建立了可供多名宇航員長期工作和生活的空間站。廣袤無垠的宇宙是不是最理想的世外桃源呢?很遺憾,太空的真實環境非常不友好!

  複雜的太空環境不但對航天器的光機電系統帶來了嚴峻的考驗,而且對航天器的“外衣”也提出了嚴酷的要求。有人可能認為,太空既然是高真空環境、沒有水存在,航天器應該不會像地球上那樣發生腐蝕吧。然而,事實並非如此。

浩瀚的太空及太空中飛行的航天器浩瀚的太空及太空中飛行的航天器

  不容忽視的太空腐蝕

  讓我們先來看兩個例子。

  和平號空間站是前蘇聯建築的一個軌道空間站(蘇聯解體后歸了俄羅斯),它是人類首個可長期居住的空間研究中心,在長達15年的在軌時間裏,和平號共發生近2000處故障,70%的外體遭到腐蝕,俄羅斯政府無力承擔巨額的維修費用,在2001年3月20日不得不將其墜毀。

美國的哥倫比亞號航天飛機,2003年在執行完任務返回地面途中不幸失事,機組成員全部失蹤

美國的哥倫比亞號航天飛機,2003年在執行完任務返回地面途中不幸失事,機組成員全部失蹤

  還有美國著名的哥倫比亞號航天飛機的例子,美國哥倫比亞號和空間運輸系統-107機組人員於2003年2月1日折返途中丟失,盡管哥倫比亞號事故調查部(CAIB)排除了是航天器腐蝕造成事故的可能,但卻提出了要求採取長期的腐蝕檢測措施的議案。可見,航天領域的腐蝕不容忽視。

  人類探索太空的腳步越來越快,越來越多涉足太陽系的其他星球,在這些星球航天器是否也會發生腐蝕呢?據介紹,科學家在火星大氣上部被稱為中間層的區域探測到了原子氧,另外,還發現金星表面溫度高達400多度,其雲層由有毒的腐蝕性較強的硫化物組成等等。由此可見,太陽系其他星球的環境對航天器也是不友好的,這些因素都會加速航天器材料的腐蝕。

  那麼,太空中究竟有哪些環境因素會對航天器造成腐蝕呢?

  太空環境中的腐蝕因素

  太空不僅有宇宙大爆炸時留下的輻射,還有各種天體也在向外輻射電磁波,甚至許多天體還向外輻射高能粒子,形成宇宙射線。衆所周知,宇航員出倉行走都要穿着厚厚的宇航服,主要就是為了避免強輻射太空環境帶來的對人體的危害,其實,強輻射環境對航天器的傷害亦十分嚴重。

  其中,短波太陽輻射會導致氧分子分解,産生高活性原子氧,原子氧具有極強的氧化性,可與空間飛行器的表面材料反應,尤其是當原子氧遇到聚合物材料,發生的反應更劇烈。原子氧所形成的高熱能離子流足以使航天器材料中的許多化學鍵破裂,導致材料發生性能變化,例如使衛星、空間站等在軌航天器的保護層逐漸氧化變薄失效。即使是金屬材料,在原子氧的作用下也會發生明顯的腐蝕氧化。NASA(美國國家航空航天局)等科研機構所開展的飛行實驗、長期暴露實驗和有限期選擇性暴露實驗都進一步證實了這一點,我國的實驗室也有相關實驗數據支撐。

  太陽紫外線輻射是導致材料失效的另一重要因素。紫外線雖然僅占太陽光的5%左右,但是能量卻很大。在太空中,由於缺少大氣層對紫外線的阻擋,航天器會完全暴露在極強的紫外線輻射之下。高分子聚合物製品吸收紫外線后,能引發聚合物自我氧化、降解,破壞聚合物的化學鍵,使其斷裂、交聯,進而導致高分子聚合物製品顔色等外觀發生改變和物理力學性能發生惡變、使用壽命縮短。

  此外,太空中極端的溫度環境也會加速航天器材料的失效。航天器在太空中飛行,處於真空的環境下,由於沒有空氣傳熱和散熱,故其受陽光直接照射的一面可産生高達100℃以上的高溫,而太陽照射不到的另一面,溫度則可低於-200℃。極端溫度和大幅度冷熱交變會影響材料中的應力,尤其在高溫環境中進一步加速導致材料失效的化學反應進程,降低材料的安全服役壽命。

太空垃圾包圍下的地球太空垃圾包圍下的地球

 

  另外,大量存在的太空垃圾也嚴重影響材料的安全使用性能。太空垃圾又稱空間碎片,是圍繞地球軌道的無用人造物體,小到人造衛星碎片、漆片、粉塵,大到整個飛船殘骸都屬於太空垃圾。全世界各國共執行了超過4000次的發射任務,産生了大量的太空垃圾。太空垃圾以宇宙速度運行,極小的太空垃圾數量較多,一旦撞擊到航空器表面,能嚴重改變材料的表面性能;稍大的太空垃圾會損壞航天器表面材料,形成撞擊坑,這些撞擊會使航天器表面材料汽化為等離子體雲團,加速材料的失效進程。

  太空防腐:為航天器穿上保護衣

  通過上面的介紹,我們可以看到,如果航天器在如此複雜的太空環境中長期運行,腐蝕就是無法避免的。

  為了確保航天器的安全運行,世界各國材料方面的科學家對減少航天器材料腐蝕這一課題進行了積極的研究和探索。

  研究表明:控制航天器在太空中發生腐蝕的主要方法包括:選擇和發展耐熱、耐極低溫、耐熱震、抗疲勞、抗腐蝕的高性能材料;採用涂層和涂料技術。對於航天器外部腐蝕控制,最重要的技術是防護涂層,如電鍍、化學鍍、真空離子鍍、陽極氧化、化學氣相沉積、涂料等。通過表面處理技術形成新的表面,可有效提高結構的耐高溫、隔熱、抗腐蝕、抗氧化等性能。

  我國的衆多航天型號神舟、天宮、嫦娥等等也都需要解決腐蝕防護問題,包括地面存放時不發生腐蝕,太空使用環境中要能抵抗太空原子氧腐蝕,同時要滿足電磁屏蔽、冷熱循環等綜合性能要求。為了實現減重,航天器使用大量輕合金,鎂合金是減重常用材料,但其腐蝕問題成為關鍵技術難題。

  中國科學院金屬研究所這方面做了很多工作,科研團隊自主研發的鎂合金化學鍍技術在滿足了若幹航天器的使用要求,下圖是在嫦娥三號上使用的採用化學鍍技術處理后的鎂質航天器部件。

嫦娥三號探測器及化學鍍后的嫦娥三號用鎂質航天器部件嫦娥三號探測器及化學鍍后的嫦娥三號用鎂質航天器部件

 

  此外,針對不同使用條件下部件對耐腐蝕性的不同要求,金屬所科研人員研究的鎂合金自封孔型微弧氧化技術耐蝕性比傳統技術提高4~5倍,可同時滿足地面儲存耐腐蝕、使用時高低溫、強輻射等綜合性能要求,已在長征系列運載火箭的鎂質貫組支架上使用。這些航天器的成功發射也證明了以上防護涂層技術的安全可靠性和先進性。

微弧氧化防護后的長征火箭用鎂質貫組支架微弧氧化防護后的長征火箭用鎂質貫組支架

 

  太空中針對航天器的破壞無時無刻不在,這是沒有硝煙的戰場。讓我們行動起來,利用自己的聰明才智,在人類探索宇宙的過程中留下一串深深的足跡……

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