引言

    航天裝備（如人造衛(wèi)星、飛船、火箭等）一般要經(jīng)歷地面、發(fā)射、飛行、在軌運(yùn)行等環(huán)境過程，所處的空間環(huán)境變化劇烈，非常復(fù)雜，除受到地面風(fēng)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(yáng)紫外照射、溫度交變循環(huán)、隕石和空間碎片沖擊等威脅。所有這些不利因素都對(duì)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(qiáng)度高、易成型等優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域各類航天器的殼體、蒙皮、精細(xì)結(jié)構(gòu)件中，因而成為了主要的航天裝備材料。鋼材具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的機(jī)械加工性，其在航天器平臺(tái)、骨架結(jié)構(gòu)、工裝等航天裝備中得到了廣泛應(yīng)用。但是，相對(duì)于航天裝備的服役環(huán)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(yīng)用范圍。因此，如何對(duì)這些金屬材料進(jìn)行相應(yīng)的表面處理，以增強(qiáng)其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和安全性、減少材料腐蝕現(xiàn)象、延長(zhǎng)使用壽命，成為拓展此類材料在航天裝備中應(yīng)用的一個(gè)重要研究方向 [1] 。

    1 常見的航天裝備材料表面處理工藝技術(shù)

    對(duì)航天裝備材料表面處理的常見工藝方法有：

    陽(yáng)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(shù)的根本任務(wù)都是通過表面處理技術(shù)形成新的表面，從而賦予航天器表面材料以新的功能特性。

    1.1 陽(yáng)極氧化處理

    陽(yáng)極氧化處理在鋁及鋁合金材料中應(yīng)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(yáng)極，在特定條件和外加電流作用下進(jìn)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(tài)和性能，可起到表面著色、提高耐腐蝕性 [2] 、增強(qiáng)耐磨性及硬度、保護(hù)鋁制件表面等作用。

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

    1.2 微弧氧化

    微弧氧化技術(shù)，又稱等離子氧化技術(shù)，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(xué)和電化學(xué)原理原位生長(zhǎng)陶瓷質(zhì)氧化膜的表面處理技術(shù) [3] 。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)陽(yáng)極氧化的諸多不足之處，通過對(duì)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(yōu)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(shù)相比，膜層的綜合性能有了較大提高，且工藝簡(jiǎn)單、易操作、處理效率高，因而在航天航空領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用與發(fā)展。

    1.3 電鍍

    電鍍處理能夠在復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(diǎn)及圖形涂層；電鍍鎢合金層使得服役環(huán)境苛刻的航天器能夠表面經(jīng)受 2 000 ℃以上的高溫灼燒及射線熱腐蝕；電鍍技術(shù)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。

    1.4 熱噴涂

    熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過預(yù)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(shù)應(yīng)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(fù)合材料等，廣泛應(yīng)用于航天裝備中各類零部件。

    1.5 氣相沉積

    氣相沉積是指利用氣相中發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)，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(jī)理，可分為化學(xué)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(xué)氣相沉積得到所需沉積薄膜，所涉及的材料大多數(shù)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(shù)工藝過程簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境友善、無(wú)污染，成膜均勻致密且與基體的結(jié)合力強(qiáng)?；瘜W(xué)氣相沉積速率比較而言不算太高，且參加沉積的反應(yīng)源和反應(yīng)后的余氣可能易燃、易爆或有毒，因此需要采取防止環(huán)境污染的措施；對(duì)于零器件局部沉積薄膜亦不如物理氣相沉積方便。

    1.6 其他表面處理技術(shù)

    激光束、電子束、等離子束等高能束表面處理技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的一種材料表面處理新技術(shù)。該技術(shù)特點(diǎn)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(jié)構(gòu)或化學(xué)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(yōu)勢(shì)已成為材料科學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。

    隨著表面防護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器表面材料的處理工藝技術(shù)也在持續(xù)完善與提高。為達(dá)到更好的防護(hù)效果，出現(xiàn)兩種及以上表面處理技術(shù)結(jié)合的工藝方法，使得表面處理防護(hù)效果得到最大化。

    2 發(fā)展方向

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

    1）針對(duì)航天領(lǐng)域的表面處理新手段的研究。不斷拓展的深空探測(cè)任務(wù)使得對(duì)航天器、宇航器表面材料要求越來(lái)越高，因而也對(duì)更高效、高質(zhì)的表面處理手段提出迫切需求。

    2）表面涂層新材料的研究。通過研究開發(fā)性能良好的新涂層材料或?qū)ΜF(xiàn)有涂層材料進(jìn)行改性，得到更致密、耐磨耐蝕、抗輻照性能更佳的涂層結(jié)構(gòu)。

    3）對(duì)現(xiàn)有表面處理技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，不斷尋求更有效的改進(jìn)方法，進(jìn)一步提高表面處理功效。

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責(zé)任編輯：王元

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