中国粉体网讯 航天器在太空最怕什么？
腐蚀！
（来源：Pixabay）
航天器处于真空、无水的太空环境中也会被腐蚀吗？其实，它所受到的腐蚀与我们理解的腐蚀有些相同，太空环境中的气体分子或原子会吸附在材料表面，并通过化学反应造成材料的腐蚀。比如，“和平号”空间站作为美俄国际空间站合作计划的一部分，是前苏联建造的第一个轨道空间站（苏联解体后归俄罗斯）。据统计，它实际在轨工作的十多年时间里，共发生近2000处故障，其中70%的外体遭到腐蚀。所以，太空“反腐”，至关重要！
太空腐蚀有三大杀手：辐射、氧、温度！
辐射
太空到处都存在着人类肉眼所看不见的宇宙辐射。它既包括宇宙大爆炸后所残留的热辐射，同时也包括其他天体向外释放的电磁波、高能粒子甚至是宇宙射线。由于地球磁场与大气层对宇宙辐射的偏折和吸收作用，才能保证人类在地球上的正常生活。可是，一旦脱离两者的保护，完全暴露在这种强辐射环境中，即便是穿着厚重的宇航服，也不能完全避免宇宙辐射对人体的伤害。面对太空中如此高强度的辐射，航天器也会“深受其害”。
此外，未来的航天活动必然要向高轨道，乃至更远更深的空间发展。而空间辐射环境是影响未来航天活动的一个重要因素。对于在地球附近运行的诸如“国际空间站”等低轨道航天器，由于受地球磁场的天然保护而遭受空间辐射的损害较少，而暴露在地磁层之外的空间则充满了高能量的混合空间辐射场。此辐射场中的高能粒子等将可能穿透航天器的防护层，从而给航天器设备及航天员等带来致命的危害。传统的被动防护方法（增加质量屏蔽厚度）可以使航天员等尽量少受辐射的危害，但增加舱壁厚度的代价很高。
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太阳所释放的紫外线辐射是引起航天器腐蚀失效的原因之一。尽管紫外线只占太阳光的5%左右，但是能量却很大。太空中，由于缺少地球磁场及大气层的“保护屏障”，航天器表面的高分子材料在吸收紫外线后会引发聚合物的自我氧化、降解。
此时，防辐射的陶瓷涂层或陶瓷纤维就可以派上用场了，如采用特殊的喷涂技术将陶瓷等材料加热到熔融或半熔融状态，喷涂到航天器及重要设备上表面，可有效降低太空辐射对航天器的伤害。
氧
航天器刚刚脱离地球表面大气层的保护时，首先接触的便是低地球轨道环境（距离地球200-700km），该区域所处的残余大气中，氧含量约占总组分的80%。众所周知，氧元素是造成材料腐蚀加速的重要条件。而在太阳短波辐射的光致分解作用下，氧分子转变为高活性的原子氧，由于处于高真空及极低的气体总压状态下，氧原子与其他粒子发生碰撞的几率很小，导致氧原子很难再次复合成分子态。当高速运行的航天器与原子氧发生剧烈的摩擦、碰撞时，航天器表面的聚合物材料会发生高温氧化反应，使其电学、光学以及机械性能等方面发生退化，甚至会引起明显的剥蚀效应，严重影响航天器的运行安全。
1995年，Sil-verman在美国国家航天局(NASA)提交的研究报告中给出了空间环境因素对飞行任务的影响程度，其中对低地球轨环境影响最大的是原子氧。包覆航天器外表面大部分区域的多层隔热组件，其面膜多是有金属涂层的聚合物薄膜。在低地球轨环境，虽然原子氧的密度并不高，但撞击到高速飞行的航天器表面的原子氧的能量约为4.5eV，这会引起聚合物的氧化和粘结破坏。保护热控材料免受原子氧侵蚀的方法一般是在其外表面包覆SiOx薄膜、氧化铟锡(IndiumTinOxides，ITO)透明导电膜等。
温度
在航天器的太空旅行中，除了要面临宇宙辐射及原子氧的威胁外，还需要接受极为“苛刻”的温度挑战。真空环境中，由于缺少空气的传热和散热，航天器表面受阳光直接照射的一面，其温度将高达100℃以上，而阳光照射不到的一面，温度则可低至-200℃。这种极端的温度条件和大幅度的冷热交变会影响材料的应力，并可能造成航天器“外衣”的断裂、分层甚至脆化，极大的缩短其安全服役寿命。
另一方面，航天器超高速在大气中飞行时，由于激波压缩、粘性摩擦等作用，造成壁面附近气温升高，高温空气不断向低温壁面传热，引起强烈的气动加热。对航天器外表面的耐磨与耐热是个极大的考验。
HfB2、ZrB2、ZrC等陶瓷材料可以用于超高温陶瓷涂层。随着超高声速飞行器的发展，对其表面抗烧蚀和抗大气冲刷的要求也越来越高，HfB2、ZrB2、ZrC等超高温陶瓷作为高温涂层材料对提升飞行器表面的抗烧蚀和抗冲刷能力有着不可替代的作用。
总结
要想尽大可能的避免太空腐蚀，就要选择抗辐射、抗氧化、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦的材料。通过使用合适的结构材料与表面涂层材料是最为关键的。而陶瓷除了具备抗辐射、抗氧化、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦的优点外，还具有高强度、高硬度、耐酸碱、理化性能稳定等特点，是一种十分重要的航空航天材料。
例如，新型碳化硅增强铝基复合材料，具有重量轻、比刚度好、耐磨性好、热膨胀系数小、导热系数高、宽温度范围下尺寸稳定等特点，被用于“祝融号”机壳的一部分，助力我国自行研制的“天问一号”开展火星探测。
由上海交通大学研制的纳米陶瓷铝合金将陶瓷和铝结合起来，兼具了两者的优点，强度和刚度甚至超过了“太空金属”钛合金。据了解，该材料已经用于天宫一号、天宫二号、量子卫星、气象卫星等关键部件翱翔于太空。
参考来源：
[1]陈世适.“四极型”防辐射航天器构架设想
[2]石进峰等.多层隔热材料飞行试验研究综述
[3]科学大院
（中国粉体网编辑整理/山川）
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