【4月24日，除了是世界腐蝕日，還是什么日？】今天同時(shí)也是世界航天日。巧的很，太空中其實(shí)十分需要防腐蝕。太空是高真空環(huán)境，沒(méi)有水。但與“溫順”的地球環(huán)境相比，真實(shí)的太空對(duì)航天器的“外衣”威脅更大。太空中航天材料需要多堅(jiān)強(qiáng)，才能成功“抗腐”呢？

說(shuō)到腐蝕，大家可能并不陌生，它每時(shí)每刻都在發(fā)生。例如：廚房鐵鍋會(huì)生銹，碳酸飲料會(huì)腐蝕牙齒，街道上的護(hù)欄風(fēng)化開(kāi)裂等等。

鐵質(zhì)水管的腐蝕（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

有人可能會(huì)問(wèn)，太空是高真空環(huán)境、沒(méi)有水的存在，航天器應(yīng)該不會(huì)像地球上那樣被腐蝕吧？但令人意想不到的是，與“溫順”的地球環(huán)境相比，真實(shí)的太空對(duì)航天器的“外衣”威脅更大。

比如，“和平號(hào)”空間站作為美俄國(guó)際空間站合作計(jì)劃的一部分，是前蘇聯(lián)建造的第一個(gè)軌道空間站（蘇聯(lián)解體后歸俄羅斯）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，它實(shí)際在軌工作的十多年時(shí)間里，共發(fā)生近2000處故障，其中70%的外體遭到腐蝕。

前蘇聯(lián)研制的和平號(hào)空間站（圖片來(lái)源自新華網(wǎng)）

那么，究竟是什么原因造成太空中航天材料的腐蝕呢？航天器又有什么“防腐”訣竅呢？

什么是腐蝕？

腐蝕是指材料與環(huán)境間的物理和化學(xué)相互作用，使材料性能發(fā)生變化，導(dǎo)致材料、環(huán)境及其構(gòu)成系統(tǒng)受到損傷。

狹義上講，腐蝕指金屬材料在特定環(huán)境條件下的失效形態(tài)，例如鐵在大氣中的生銹等。但從廣義上來(lái)說(shuō)，塑料、陶瓷、混凝土和木材等非金屬材料由化學(xué)作用使其消耗或破壞也屬于材料腐蝕的范疇，例如，涂料和橡膠由于陽(yáng)光或者化學(xué)物質(zhì)的作用引起變質(zhì)，老化等。

依據(jù)反應(yīng)歷程，腐蝕可分為電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕兩類。通常，在環(huán)境中有水參與的條件下，腐蝕服從電化學(xué)動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律，屬于電化學(xué)腐蝕范疇。由于地球大氣中普遍含有水，化工生產(chǎn)中也經(jīng)常處理各種水溶液，因此，電化學(xué)腐蝕是地球上最常見(jiàn)的腐蝕類型；當(dāng)材料處于無(wú)水條件下，環(huán)境中的氣體分子或原子會(huì)優(yōu)先在材料表面吸附，并通過(guò)化學(xué)反應(yīng)造成材料的腐蝕，稱為化學(xué)腐蝕。

航天器處于真空、無(wú)水的太空環(huán)境中，主要以化學(xué)腐蝕為主。

太空腐蝕三大殺手

太空中造成航天器腐蝕的原因主要有三個(gè)：輻射、氧、溫度。

1. 輻射

太空到處都存在著人類肉眼所看不見(jiàn)的宇宙輻射。它既包括宇宙大爆炸后所殘留的熱輻射，同時(shí)也包括其他天體向外釋放的電磁波、高能粒子甚至是宇宙射線。

由于地球磁場(chǎng)與大氣層對(duì)宇宙輻射的偏折和吸收作用，才能保證人類在地球上的正常生活。可是，一旦脫離兩者的保護(hù)，完全暴露在這種強(qiáng)輻射環(huán)境中，即便是穿著厚重的宇航服，也不能完全避免宇宙輻射對(duì)人體的傷害。面對(duì)太空中如此高強(qiáng)度的輻射，航天器也會(huì)“深受其害”。

宇宙輻射示意圖（圖片來(lái)源：百度百科）

太陽(yáng)所釋放的紫外線輻射是引起航天器腐蝕失效的原因之一。盡管紫外線只占太陽(yáng)光的5%左右，但是能量卻很大。太空中，由于缺少地球磁場(chǎng)及大氣層的“保護(hù)屏障”，航天器表面的高分子材料在吸收紫外線后會(huì)引發(fā)聚合物的自我氧化、降解。

另外，波長(zhǎng)為300nm的紫外線中的單個(gè)光子所具有的能量約為399kJ·mol,這一能量大于聚合物中重要的化學(xué)鍵的鍵能：C-C（347 kJ·mol）、C-N（305 kJ·mol）、C-S（259 kJ·mol），因此，紫外光的能量足以使這些化學(xué)鍵斷裂，從而導(dǎo)致聚合物材料性能的急劇下降。因此，為了盡可能的削弱太陽(yáng)輻射對(duì)航天器的影響，人類航天任務(wù)的發(fā)射甚至?xí)桃獗荛_(kāi)太陽(yáng)耀斑活動(dòng)頻繁的時(shí)間周期。

2. 氧

航天器剛剛脫離地球表面大氣層的保護(hù)時(shí)，首先接觸的便是低地球軌道環(huán)境（距離地球200-700km），該區(qū)域所處的殘余大氣中，氧含量約占總組分的80%。

殘余大氣中的原子氧（圖片來(lái)源：搜狐網(wǎng)）

眾所周知，氧元素是造成材料腐蝕加速的重要條件。而在太陽(yáng)短波輻射的光致分解作用下，氧分子轉(zhuǎn)變?yōu)楦呋钚缘脑友酰捎谔幱诟哒婵占皹O低的氣體總壓狀態(tài)下，氧原子與其他粒子發(fā)生碰撞的幾率很小，導(dǎo)致氧原子很難再次復(fù)合成分子態(tài)。

當(dāng)高速運(yùn)行的航天器與原子氧發(fā)生劇烈的摩擦、碰撞時(shí)，航天器表面的聚合物材料會(huì)發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，使其電學(xué)、光學(xué)以及機(jī)械性能等方面發(fā)生退化，甚至?xí)鹈黠@的剝蝕效應(yīng)，嚴(yán)重影響航天器的運(yùn)行安全。

3. 溫度

在航天器的太空旅行中，除了要面臨宇宙輻射及原子氧的威脅外，還需要接受極為“苛刻”的溫度挑戰(zhàn)。

自宇宙大爆炸起，太空中的溫度便開(kāi)始逐漸降低，在經(jīng)歷了150多億年的演變后，目前的太空正處于極寒的環(huán)境中，平均溫度只有約-270.3℃。

但是，真空環(huán)境中，由于缺少空氣的傳熱和散熱，航天器表面受陽(yáng)光直接照射的一面，其溫度將高達(dá)100℃以上，而陽(yáng)光照射不到的一面，溫度則可低至-200℃。

這種極端的溫度條件和大幅度的冷熱交變會(huì)影響材料的應(yīng)力，并可能造成航天器“外衣”的斷裂、分層甚至脆化，極大的縮短其安全服役壽命。

此外，宇宙中各星體都有其各自的演變歷程，導(dǎo)致不同星球上的環(huán)境也是千差萬(wàn)別。航天器在其他星球上執(zhí)行探測(cè)任務(wù)時(shí)，也需要考慮不同星球的真實(shí)環(huán)境，很可能會(huì)有腐蝕性離子的存在。以金星為例，作為距離我們地球最近的一顆行星，它的大小、體積、重量與地球非常接近，被稱為地球的“姐妹星”，可是，金星厚厚的大氣層中含有強(qiáng)腐蝕性的硫化物，其與氧原子和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)會(huì)形成硫酸，連年的酸雨會(huì)加快航天器的腐蝕。

防腐秘笈：材料+涂層

在如此復(fù)雜的太空環(huán)境中，航天器的腐蝕根本無(wú)法避免。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，一架航天飛機(jī)的維修成本甚至遠(yuǎn)高于其制作成本和發(fā)射成本，其中，由于腐蝕所造成的維修成本占很大的比重。因此，采用科學(xué)的手段抑制航天器在太空中的腐蝕問(wèn)題勢(shì)在必行。

首先便是選擇和發(fā)展耐熱、耐極低溫、耐熱震、抗疲勞、抗腐蝕、比重低的高性能材料。在世界各國(guó)的科學(xué)家的不懈的努力探索下，多種高性能材料不斷涌現(xiàn)。

例如碳纖維或硼纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等的應(yīng)用，可以大幅提高航天材料的耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕性能；采用抗氧化性能更好的碳-碳復(fù)合材料、陶瓷隔熱瓦等特殊材料可以有效解決防熱問(wèn)題；鋁、鎂等輕合金具有密度低、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可以減輕航天器的結(jié)構(gòu)重量，降低發(fā)射成本。

此外，結(jié)合不同材料的用途及其實(shí)際服役環(huán)境，采用合適的表面處理技術(shù)也十分重要。因?yàn)樾阅軆?yōu)異的防護(hù)涂層不僅可以延長(zhǎng)航天器的使用壽命，節(jié)省維修成本，同時(shí)也可以提高航天材料的功能性，其中包括隔熱性、導(dǎo)電性、電磁屏蔽性等。

與地面裝備表面防護(hù)不同的是，由于有機(jī)涂層在真空環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)放氣、老化脫落等一系列問(wèn)題，航天材料一般不會(huì)使用有機(jī)涂層進(jìn)行防腐，而主要采用的表面技術(shù)包括化學(xué)/電化學(xué)沉積、化學(xué)/電化學(xué)氧化、無(wú)機(jī)涂層以及特種薄膜制備等等。

例如，航天器中的鋁合金在使用陽(yáng)極氧化表面處理后可以使其表面硬度、耐磨性與耐腐蝕性能增強(qiáng)，同時(shí)，該陽(yáng)極氧化膜層表面存在大量的微孔，可用于吸附各種潤(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。

“嫦娥”奔月時(shí) 穿了什么外衣？

登錄月球的嫦娥四號(hào)探測(cè)器（圖片來(lái)源：新華網(wǎng)）

鎂合金，作為地球上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，擁有比強(qiáng)度高、導(dǎo)電性強(qiáng)、電磁屏蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，在航天領(lǐng)域的使用上具有先天的優(yōu)勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)減重的目的，我們熟知的神州、天宮、嫦娥等系列航天器中，均大量使用鎂合金。

以2018年12月發(fā)射的“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器為例，其中，探月雷達(dá)、月球車巡視器、著陸器上許多重要電子設(shè)備的箱體結(jié)構(gòu)所采用的就是鎂合金，主要利用其減重、導(dǎo)電及優(yōu)異的電磁屏蔽性能，可以有效的削弱外界電磁場(chǎng)對(duì)核心電路系統(tǒng)的干擾。但鎂合金化學(xué)性質(zhì)活潑，耐蝕性差，甚至在地面存放期間便會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕。因此，必須采用合理的表面處理方式，在滿足其導(dǎo)電性及電磁屏蔽性能的基礎(chǔ)上，有效提高其耐腐蝕能力。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所在這方面做了很多工作，科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的鎂合金鍍層具有防腐、導(dǎo)電、電磁屏蔽等多功能性，滿足了航天器若干的使用要求，并在天宮、嫦娥等多個(gè)型號(hào)的航天器上使用。下圖是嫦娥四號(hào)上使用的表面處理后的鎂質(zhì)航天器部件。

嫦娥四號(hào)用鎂質(zhì)航天器部件導(dǎo)電涂層展示（圖片來(lái)源：作者提供）

結(jié)語(yǔ)

腐蝕是全人類共同面對(duì)的問(wèn)題，腐蝕帶來(lái)的負(fù)面影響不可小覷。目前，腐蝕代價(jià)甚至大于所有自然災(zāi)害損失的總和。

腐蝕對(duì)現(xiàn)代工業(yè)造成的嚴(yán)重破壞，其直接損失及停工、停產(chǎn)等間接損失都是難于估計(jì)的，甚至?xí)＜叭祟惖纳柏?cái)產(chǎn)安全，因而采取有效的防護(hù)措施勢(shì)在必行。

在不同環(huán)境中，即便同樣的材料，腐蝕情況也會(huì)千差萬(wàn)別。因此，研究太空環(huán)境中的腐蝕問(wèn)題，有助于人類研究在復(fù)雜環(huán)境中的腐蝕機(jī)理，采取針對(duì)性的防護(hù)措施，有利于減少因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失，這對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。