航天裝備 （ 如人造衛星、飛船、火箭等 ） 一般要經歷地面、發射、飛行、在軌運行等環境過程 , 所處的空間環境變化劇烈 , 非常復雜 , 除受到地面風吹、日曬、雨露、地下潮氣和海洋鹽霧等影響外 , 還將承受包括高能電子流、高活性原子氧、太陽紫外照射、溫度交變循環、隕石和空間碎片沖擊等威脅。所有這些不利因素都對航天裝備材料提出了苛刻的要求鋁、鎂等有色金屬及其合金具有比重小、比強度高、易成型等優點 , 大量應用于航空航天領域各類航天器的殼體、蒙皮、精細結構件中因而成為了主要的航天裝備材料。鋼材具有較高的強度和優良的機械加工性 ,其在航天器平臺、骨架結構、工裝等航天裝備中得到了廣泛應用。但是 , 相對于航天裝備的服役環境 , 這些材料則往往顯得耐蝕性較低、耐磨性較差 , 這就極大地限制了其使用壽命和應用范圍。

因此 , 如何對這些金屬材料進行相應的表面處理 , 以增強其對環境的適應性和安全性、減少材料腐蝕現象、延長使用壽命 , 成為拓展此類材料在航天裝備中應用的一個重要研究方向。

常見的航天裝備材料表面處理工藝

技術對航天裝備材料表面處理的常見工藝方法有陽極氧化、微弧氧化、電鍍、熱噴涂、氣相沉積、高能束處理、溶膠凝膠法等。這些處理技術的根本任務都是通過表面處理技術形成新的表面 , 從而賦予航天器表面材料以新的功能特性。

陽極氧化處理陽極氧化處理在鋁及鋁合金材料中應用最為廣泛。將鋁及其合金置于硫酸、鉻酸、草酸等電解液中作為陽極 , 在特定條件和外加電流作用下進行電解 , 使其表面形成氧化物薄膜。此氧化物薄膜改變了鋁合金表面狀態和性能 , 可起到表面著色、提高耐腐蝕性、增強耐磨性及硬度、保護鋁制件表面等作用。

硫酸直流陽極氧化工藝是最常用的陽極氧化處理技術。硫酸直流陽極氧化后 , 鋁制件表面硬度增高、耐磨性與耐腐蝕性能增強。陽極氧化膜薄層中具有大量的微孔 , 可吸附各種潤滑劑 , 適合制造航天器動力系統氣缸或其他耐磨零件 ; 膜微孔吸附能力強 , 可著色成各種美觀艷麗的色彩。

微弧氧化

微弧氧化技術 , 又稱等離子氧化技術 , 是指在 Al、Mg、Ti、Nb、Zr 等有色金屬及其合金表面用等離子體化學和電化學原理原位生長陶瓷質氧化膜的表面處理技術。該技術突破了傳統陽極氧化的諸多不足之處 , 通過對工藝過程的控制使金屬表面陶瓷化 , 生成的陶瓷薄膜具有優異的耐磨和耐蝕性能、較高的硬度和絕緣電阻。與其他同類技術相比膜層的綜合性能有了較大提高 , 且工藝簡單、易操作、處理效率高 , 因而在航天航空領域得到越來越多的應用與發展。

電鍍

電鍍處理能夠在復雜結構的器件表面形成均勻的涂層 , 因此在航天裝備材料表面防護領域得到了廣泛應用。在精密電子器件中 , 電鍍 Au、Ag 等金屬可得到高可靠的電接點及圖形涂層 ; 電鍍鎢合金層使得服役環境苛刻的航天器能夠表面經受 2000℃以上的高溫灼燒及射線熱腐蝕 ; 電鍍技術還能制備使航天裝備表面具有磁性或電磁屏蔽等特殊功能的涂層。

熱噴涂

熱噴涂技術是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態 , 并以一定的速度噴射沉積到經過預處理的基體表面形成涂層的方法 , 賦予基體表面一些特殊的性能。熱噴涂技術應用十分廣泛可制備耐腐蝕、電絕緣、耐磨減摩、抗高溫氧化、電磁屏蔽吸收等功能涂層。

噴涂層材料可以是金屬、金屬合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料以及復合材料等廣泛應用于航天裝備中各類零部件。

氣相沉淀

氣相沉積是指利用氣相中發生的物理化學反應 , 在材料表面形成具有特種性能的金屬或化合物涂層的過程。按照成膜機理 , 可分為化學氣相沉積、物理氣相沉積和等離子體氣相沉積。

航天裝備中的一些微電子芯片、微波元器件常常利用化學氣相沉積得到所需沉積薄膜，所涉及的材料大多數為硅、碳纖維、碳納米纖維、SiO 2 、氮化硅等材料。物理氣相沉積技術工藝過程簡單對環境友善、無污染 , 成膜均勻致密且與基體的結合力強。化學氣相沉積速率比較而言不算太高 , 且參加沉積的反應源和反應后的余氣可能易燃、易爆或有毒 , 因此需要采取防止環境污染的措施 ; 對于零器件局部沉積薄膜亦不如物理氣相沉積方便。

其他表面處理

激光束、電子束、等離子束等高能束表面處理技術是近年來發展的一種材料表面處理新技術。該技術特點在于獲得高的表面加熱、冷卻速度，直接把元素注入或熔入材料表面，通過改變材料表面的物理結構或化學組分，使材料的性能得以顯著改善和提高。目前，等離子表面處理因其性能的優勢已成為材料科學領域最活躍的研究方向之一。

隨著表面防護技術的不斷發展，航天器表面材料的處理工藝技術也在持續完善與提高。為達到更好的防護效果，出現兩種及以上表面處理技術結合的工藝方法，使得表面處理防護效果得到最大化。

結語

航天裝備材料表面處理工藝技術正朝向高效化、低能耗、高性能化方面發展，可歸納為以下方面。

）針對航天領域的表面處理新手段的研究。不斷拓展的深空探測任務使得對航天器、宇航器表面材料要求越來越高，因而也對更高效、高質的表面處理手段提出迫切需求。

）表面涂層新材料的研究。通過研究開發性能良好的新涂層材料或對現有涂層材料進行改性，得到更致密、耐磨耐蝕、抗輻照性能更佳的涂層結構。

）對現有表面處理技術的持續改進，不斷尋求更有效的改進方法，進一步提高表面處理功效。