說到腐蝕

大家可能并不陌生，因為在我們生活中，它每時每刻都在發生。例如廚房鐵鍋的生銹，碳酸飲料對牙齒的腐蝕，街道護欄的風化開裂等等。 看到“太空腐蝕”，你是不是會很詫異——太空既然是高真空環境、沒有水的存在，航天器應該不會像地球上那樣腐蝕吧？

但事實卻是，太空的腐蝕性遠大于地球！

比如作為美俄國際空間站合作計劃一部分的“和平號”空間站，實際在軌工作的十多年時間里，共發生近2000處故障，其中70%的外體遭到腐蝕。

前蘇聯研制的和平號空間站。圖片來源：新華網

說到這里你可能要問了，究竟是什么原因造成太空中航天材料的腐蝕失效呢？

太空除了浩瀚壯觀之外，到處都存在著人類肉眼所看不見的宇宙輻射。它既包括宇宙大爆炸后所殘留的熱輻射，同時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。 

這些宇宙輻射對人體是致命的，我們在地球之所以能正常生活，是因為地球磁場與大氣層對宇宙輻射的偏折和吸收作用。 

因而出了地球，人類必須穿宇航服，宇航服的造價是極其昂貴的。如2003年神舟五號的艙內宇航服需要20萬，而艙外宇航服需要大約2億人民幣，還只能用5次！

當然，面對太空中如此高強度的輻射，航天器也會“深受其害”。主要包括兩方面：

一是太陽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光的5%左右，但是能量卻很大。太空中，由于缺少地球磁場及大氣層的“保護屏障”，航天器表面的高分子材料在吸收紫外線后會引發聚合物的自我氧化、降解。另外，紫外線中的單個光子所具有的能量足以破壞聚合物間的化學鍵，使其斷裂、交聯，從而導致聚合物材料性能的急劇下降。因此，為了盡可能的削弱宇宙輻射對航天器的影響，人類航天任務的發射甚至會刻意避開太陽耀斑活動頻繁的時間周期。

二是當航天器剛剛脫離地球表面大氣層的保護，首先接觸的便是低地球軌道環境（距離地球200~700km），該區域所處的殘余大氣中，氧含量約占總組分的80%。眾所周知，氧元素是造成材料腐蝕加速的重要條件。而在太陽短波輻射的光致分解作用下，氧分子轉變為高活性的原子氧，由于處于高真空及極低的氣體總壓狀態下，氧原子與其他粒子發生碰撞的幾率很小，導致氧原子很難再次復合成分子態。當高速運行的航天器與原子氧發生劇烈的摩擦、碰撞時，航天器表面的聚合物材料會發生高溫氧化反應，使其電學、光學以及力學性能等方面發生退化，甚至會引起明顯的剝蝕效應，嚴重影響航天器的運行安全。

通過上面的介紹我們可以發現，在如此復雜的太空環境中，航天器的腐蝕根本無法避免。并且，有關數據顯示，一架航天飛機的維修成本甚至遠高于其制作成本和發射成本。因此，采用科學的手段抑制航天器在太空中的腐蝕問題勢在必行。

首先便是選擇和發展耐熱、耐極低溫、耐熱震、抗疲勞、抗腐蝕的高性能材料，世界各國的科學家也正為此不斷的努力探索。

此外，結合不同材料的用途及其實際服役環境，采用合適的表面處理技術顯得更為重要。因為性能優異的防護涂層不僅可以提高航天材料的功能性，包括耐高溫、隔熱、抗腐蝕、抗氧化、抗輻射等，同時也可以延長航天器的使用壽命，節省維修成本。

然而，與地面裝備表面防護不同的是，由于有機涂層在真空環境中會出現放氣、老化脫落等一系列問題，航天材料一般不會使用有機涂層進行防腐，而主要采用的表面技術包括化學/電化學沉積、化學/電化學氧化、無機涂層以及特種薄膜制備等等。

鎂合金，作為地球上最輕的金屬結構材料，擁有比強度高、導電性強、電磁屏蔽性好等優點，在航天領域的使用上具有先天的優勢。為了實現減重的目的，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。

鎂合金的其他應用

01 國防工業

現代戰爭需要軍隊具有遠程快速部署運動的能力，要求武器裝備輕量化，在手持式武器、裝甲戰車、運輸車、航空制導武器上將大量采用輕金屬材料。

輕量化是提高武器裝備作戰性能的重要方向。鎂所具有的輕質特性決定了鎂合金是生產航天飛行器、軍用飛機、導彈、高機動性能戰車、船舶的必不可少的結構材料，如可做火箭頭、導彈點火頭、航天器元部件以及照明彈等。因此，大力開發鎂合金應用范圍是國防現代化的需要。

02 鋼鐵工業

鎂目前主要用于冶金工業的鑄造、鋼鐵脫硫等。

隨著汽車工業、石油、天然氣管線、海洋鉆井平臺、橋梁建筑等領域用高強度低硫鋼的需求不斷增加，近幾年，我國鞍鋼、寶鋼、武鋼、本鋼、包鋼、攀鋼、首鋼等鋼鐵企業已經用鎂粉深脫硫，獲得優質鋼，取得良好效果。鎂粉用于鋼鐵脫硫，具有巨大的潛在市場。

03 汽車工業

鎂是最輕的結構金屬材料之一，又具有比強度和比剛度高、阻尼性強和切削性好、易于回收等優點。國內外將鎂合金應用于汽車行業，以減重、節能、降低污染，改善環境。

目前，全球鎂合金消費量最大的是汽車行業，為減輕汽車總重，鎂合金壓鑄件在汽車上的使用愈來愈多，包括儀表盤、方向盤、變箱、油底、氣缸罩、座椅架及輪轂等多個關鍵零部件。

根據統計資料，2003年美國平均每輛汽車鎂合金的使用量已達60千克左右，美國汽車材料協會（USAMP）預計到2020年北美生產的每輛汽車鎂合金用量將達到約160千克。目前，中國鎂合金在汽車工業的使用情況仍處于起步階段。發達國家汽車百公里耗油最終將實現3升的目標，歐洲汽車用鎂占鎂總消耗量的14%，預計今后將以15%～20%的速度遞增。數據顯示，全球鎂合金在汽車壓鑄件方面的增長率連續多年保持在15％的水平，是當前及未來新的產業亮點。

我國東風、長安等汽車已開始用鎂合金，不久以后重慶、成都等地將成為我國汽車用鎂合金研究與開發應用的生產基地。因此，全面推動汽車使用鎂合金制品將成為來新材料產業的重要發展方向。

04 其他應用

鎂的輕質及其作為犧牲陽極可以有效防止金屬腐蝕等特性，使其廣泛用在地下鐵制管道、石油管道、儲罐、海上設施、民用等。

此外，鎂粉還用于制造化工產品、藥煙火、信號照明彈、金屬還原劑、油漆涂料、焊絲以及供球墨鑄鐵用的球化劑等。

鎂易燃，所以可用作照明彈，其原理是照明彈中裝有鎂鋁和硝酸鈉、硝酸鋇等物質。引爆后，鎂在空氣中迅速燃燒，放出含紫外線的耀眼白光，同時放出熱量使硝酸鹽分解。

與塑料相比，鎂合金具有重量輕、比強度高、減振性好、熱疲勞性能好、不易老化，又有良好的導熱性、電磁屏蔽能力強、非常好的壓鑄工藝性能，尤其易于回收等優點，是替代鋼鐵、鋁合金和工程塑料的新一代高性能結構材料。

為適應電子、通訊器件高度集成化和輕薄小型化的發展趨勢，鎂合金是交通、電子信息、通訊、計算機、聲像器材、手提工具、電機、林業、紡織、核動力裝置等產品外殼的理想材料。

發達國家非常重視鎂合金的開發與應用，尤其在汽車零部件、筆記本電腦等便攜電子產品的應用，每年以20%的速度增長，非常引人注目，發展速度驚人。

我國青島作為家電城，先后投資2.1~3.5億人民幣生產制造手機外殼、數碼相機、手提電腦、掌上電腦外殼，高級視聽器材外殼等產品，年產1600萬件鑄件產品，成為第一個鎂合金開發應用產業化基地。

鎂合金型材、管材還用于制作自行車架、輪椅、康復和醫療器械等。

鎂合金的新進展

01 耐熱鎂合金

耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛應用的主要原因之一，當溫度升高時，它的強度和抗蠕變性能大幅度下降，使它難以作為關鍵零件（如發動機零件）材料在汽車等工業中得到更廣泛的應用。己開發的耐熱鎂合金中所采用的合金元素主要有稀土元素（RE）和硅（Si）。稀土是用來提高鎂合金耐熱性能的重要元素。含稀土的鎂合金QE22和WE54具有與鋁合金相當的高溫強度，但是稀土合金的高成本是其被廣泛應用的一大阻礙。

02 耐蝕鎂合金

鎂合金的耐蝕性問題可通過兩個方面來解決：

①嚴格限制鎂合金中的Fe、Cu、Ni 等雜質元素的含量。例如，高純AZ91HP鎂合金在鹽霧試驗中的耐蝕性大約是AZ91C的100倍，超過了壓鑄鋁合金A380，比低碳鋼還好得多。

②對鎂合金進行表面處理。根據不同的耐蝕性要求，可選擇化學表面處理、陽極氧化處理、有機物涂覆、電鍍、化學鍍、熱噴涂等方法處理。例如，經化學鍍的鎂合金，其耐蝕性超過了不銹鋼。

03 阻燃鎂合金

鎂合金在熔煉澆鑄過程中容易發生劇烈的氧化燃烷。實踐證明，熔劑保護法和SF6、SO2、CO2、Ar等氣體保護法是行之有效的阻燃方法，但它們在應用中會產生嚴重的環境污染，并使得合金性能降低，設備投資增大。純鎂中加鈣能夠大大提高鎂液的抗氧化燃燒能力，但是由于添加大量鈣會嚴重惡化鎂合金的力學性能，使這一方法無法應用于生產實踐。鉸可以阻止鎂合金進一步氧化，但是鉸含量過高時，會引起晶粒粗化和增大熱裂傾向。

04 高強高韌鎂合金

現有鎂合金的常溫強度和塑韌性均有待進一步提高。在Mg-Zn和Mg-Y合金中加入Ca、Zr 可顯著細化晶粒，提高其抗拉強度和屈服強度；加人Ag和Th能夠提高Mg-RE-Zr合金的力學性能，如含Ag的QE22A合金具有高室溫拉伸性能和抗蠕變性能，已廣泛用作飛機、導彈的優質鑄件；通過快速凝固粉末冶金、高擠壓比及等通道角擠等方法，可使鎂合金的晶粒處理得很細，從而獲得高強度、高塑性甚至超塑性。

05 鎂合金成形技術

鎂合金成形分為變形和鑄造兩種方法，當前主要使用鑄造成形工藝。壓鑄是應用最廣的鎂合金成形方法。

近年來發展起來的鎂合金壓鑄新技術有真空壓鑄和充氧壓鑄，前者已成功生產出AM60B鎂合金汽車輪毅和方向盤，后者也己開始用于生產汽車上的鎂合金零件。