鞠鵬飛 工學(xué)博士 航天科技八院專業(yè)工藝總師

    一、 前言

    航天材料是實(shí)現(xiàn)武器裝備、運(yùn)載、衛(wèi)星及航天飛行器等先進(jìn)裝備高性能、高可靠性、輕量化、小型化的基礎(chǔ)和保障。航天材料腐蝕與防護(hù)技術(shù)是支撐空天裝備創(chuàng)新和航天工程快速發(fā)展的重要技術(shù)之一。航天領(lǐng)域的腐蝕控制主要有三個(gè)方面：1）宇航型號(hào)在地面研制、調(diào)試階段的材料防護(hù)；2）空間飛行器在極端空間環(huán)境下的防老化、抗輻照以及空間居留艙微生物控制；3）武器裝備在不同環(huán)境下的長(zhǎng)壽命防護(hù)。宇航任務(wù)成敗的關(guān)鍵控制因素之一是“多余物”，細(xì)小的多余物會(huì)可能造成整個(gè)型號(hào)報(bào)廢。比如：運(yùn)載火箭需要保證數(shù)米長(zhǎng)的細(xì)導(dǎo)管內(nèi)沒有一絲腐蝕斑；衛(wèi)星型號(hào)電子單機(jī)需要保證其經(jīng)過多個(gè)周期濕熱等試驗(yàn)后，耐蝕等級(jí)達(dá)到十級(jí)，任何細(xì)微的腐蝕斑點(diǎn)都可能對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的功能造成不可挽回的影響。與地面裝備表面防護(hù)不同的是，宇航產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件一般都不會(huì)使用有機(jī)涂層進(jìn)行防腐，有機(jī)涂層在空間環(huán)境存在真空放氣、老化脫落等一系列的問題。航天材料主要通過表面工程技術(shù)進(jìn)行防護(hù)，包括化學(xué) / 電化學(xué)沉積、化學(xué) / 電化學(xué)氧化、有機(jī) / 無(wú)機(jī)涂層以及特種薄膜制備等等。上述技術(shù)的應(yīng)用為航天型號(hào)的研制提供了技術(shù)保障。

    二、 航天材料表面防護(hù)技術(shù)

    1. 宇航型號(hào)結(jié)構(gòu)件表面防護(hù)

    隨著全球國(guó)防科技工業(yè)的快速發(fā)展，各國(guó)紛紛大力開發(fā)高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，對(duì)火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等實(shí)施減重，空間飛行器對(duì)重量的“敏感度”已進(jìn)入“克克計(jì)較”時(shí)代，航天飛機(jī)的重量每減輕 1kg，其發(fā)射成本就可減少 15000 美元。一枚洲際導(dǎo)彈重量減輕 1Kg，整個(gè)運(yùn)載火箭的起飛重量就可減輕 50Kg，地面設(shè)備的結(jié)構(gòu)重量就可減輕 100Kg。目前國(guó)內(nèi)外宇航型號(hào)大多數(shù)采用鋁合金、鎂合金等材料實(shí)現(xiàn)減重的目的。上述材料主要通過陽(yáng)極氧化、化學(xué)氧化、微弧氧化、化學(xué)鍍鎳等多種技術(shù)防腐。

    隨著型號(hào)研制的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)鎂合金已無(wú)法滿足宇航飛行器的減重需求，鎂鋰合金作為一種新興的超輕材料，開始在航天領(lǐng)域逐步應(yīng)用。鎂鋰合金與鋁合金相比能夠減40% ～ 50%，與一般鎂合金相比能夠減重 20% ～ 30%，在航天航空領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。早在 1960 年代，美國(guó) NASA 即開發(fā)應(yīng)用于航天工業(yè)零件上，前蘇聯(lián)科學(xué)院開發(fā)出了 MA21,MA18 等合金，并制造出了強(qiáng)度與延性較好、組織穩(wěn)定的鎂鋰合金零件。鎂鋰合金可用于制造火箭的艙體、陀螺儀、儀表盤等；無(wú)人機(jī) / 預(yù)警機(jī) / 直升機(jī) / 戰(zhàn)機(jī)構(gòu)件如蒙皮、座位架、機(jī)載雷達(dá)、飛機(jī)上下側(cè)板等；飛行器的防護(hù)罩、防宇宙塵壁板、降落傘扣、控制桿、航天氣瓶?jī)?nèi)襯、計(jì)算機(jī)設(shè)備外殼、支架、電器的框架、燃料箱等；登月平臺(tái)及機(jī)構(gòu)等。美國(guó)和前蘇聯(lián)在衛(wèi)星、火箭及宇宙飛船上都采用有鎂鋰合金制備的零部件。用鎂鋰合金替代鋁合金、鈦合金及鈹合金，可獲得20% ～ 30% 的減重效果。飛行器減重后速度更快、飛距更遠(yuǎn)、精度更高、成本更低，可滿足未來作戰(zhàn)遠(yuǎn)程投放、快速部署、機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)需要。鎂鋰合金輕、比剛度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱，可以作為電器殼體和儀表盤，有效減重；優(yōu)異的電磁屏蔽性能以及超輕高強(qiáng)特性，是作為制導(dǎo)部件和控制艙殼體的理想材料；超輕高強(qiáng)特性使之成為尾翼減重的最佳材料。特別是在坦克裝甲材料方面，美國(guó)于 2012 年投入 9000 萬(wàn)美元研究鎂合金作為裝甲設(shè)備材料。鎂鋰合金具有不低于鎂合金的強(qiáng)度，高于鎂合金的塑性以及更好的內(nèi)耗系數(shù)，是優(yōu)于其它鎂合金的復(fù)合裝甲材料的夾層；使用鎂鋰合金能夠使坦克裝甲設(shè)備大幅度減重，從而增加機(jī)動(dòng)性和靈活性；同時(shí)由于鎂鋰合金良好的減震性能，能夠減少子彈或炮彈沖擊時(shí)造成的震動(dòng)，有效的保護(hù)軍人。半個(gè)多世紀(jì)的研究表明，通過添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪乜梢垣@得低密度、高比強(qiáng)度的超輕鎂鋰合金，但是其耐腐蝕性能差的問題一直沒有得到很好的解決。

    近年來，國(guó)產(chǎn)鎂鋰合金材料也開始逐步應(yīng)用于衛(wèi)星型號(hào)，在降低衛(wèi)星結(jié)構(gòu)系統(tǒng)質(zhì)量，提高衛(wèi)星承載能力上取得了顯著的成效，但鎂鋰合金化學(xué)性質(zhì)活潑，易與周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致其耐蝕性能很差。增強(qiáng)鎂鋰合金耐蝕性的方法主要分為兩類，一是提高自身的耐蝕能力，主要通過凈化合金成分或者改善微觀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)；二是通過表面處理或改性，使合金基體與外部環(huán)境隔絕開，這也是目前最常用的方法，主要包括：微弧氧化、化學(xué)鍍與電鍍鎳和化學(xué)氧化。

    2. 空間環(huán)境下航天材料表面防護(hù)

    航天型號(hào)還有一類特殊的材料失效形式——來自空間環(huán)境的“腐蝕”。衛(wèi)星、空間站等型號(hào)在空間環(huán)境服役時(shí)，需要經(jīng)受復(fù)雜的空間環(huán)境，包括高真空環(huán)境、冷黑環(huán)境、太陽(yáng)電磁輻射、帶電粒子輻射、中性大氣、空間碎片與微流星體、等離子體、微振動(dòng)、微重力、人工輻射 （ 核爆炸輻射和激光輻射等 ） 以及載人密封艙內(nèi)的細(xì)菌、濕度等環(huán)境。在深空探測(cè)過程中，還需要考慮月球月塵、火星塵暴、金星酸性大氣等[1] 。此外，飛行器的外露材料如：熱控涂層以及太陽(yáng)翼電池片，需要經(jīng)受大量的空間粒子轟擊，從而造成性能下降，其中原子氧與紫外對(duì)材料的損傷最大。

    諸多空間飛行器服役于低地球軌道環(huán)境，低地球軌道環(huán)境稀薄氣體的主要組分為高活性的原子氧。對(duì)于空間原子氧效應(yīng)的關(guān)注始于 20 世紀(jì) 80 年代初，人們觀察到返回地面的航天器表面發(fā)生了明顯變化，分析認(rèn)為這一現(xiàn)象與低地球軌道的原子氧效應(yīng)有關(guān)。2008 年，我國(guó)首次開展了針對(duì)固體潤(rùn)滑材料的低地球軌道空間環(huán)境暴露試驗(yàn)。如圖 4 所示，空間環(huán)境暴露試驗(yàn)樣品由中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所負(fù)責(zé)研制，包含了二硫?qū)賹訝罱Y(jié)構(gòu)化合物、軟金屬、聚合物薄膜材料，聚酰亞胺及磷酸鹽黏結(jié)潤(rùn)滑涂層以及聚合物自潤(rùn)滑材料等目前較常用的幾類空間固體潤(rùn)滑材料，首次取得了潤(rùn)滑材料經(jīng)過空間環(huán)境后的性能變化數(shù)據(jù)[2] 。

    原子氧對(duì)材料的主要效應(yīng)表現(xiàn)為氧化和剝蝕。在 Au、Ag、Pb、In 等幾種面心立方結(jié)構(gòu)軟金屬中，Au 由于化學(xué)惰性而對(duì)原子氧不敏感，其他幾種軟金屬在原子氧侵蝕環(huán)境均會(huì)表現(xiàn)出不同程度的氧化和剝蝕效應(yīng)[2] 。空間站柔性太陽(yáng)翼電池陣所使用的聚酰亞胺材料需要進(jìn)行特殊的防原子氧剝蝕表面處理，從而保障可靠服役。

    此外，載人空間站為航天員長(zhǎng)期駐留創(chuàng)造的良好環(huán)境，同樣也為微生物的滋生提供了有利條件。真菌和霉菌會(huì)腐蝕和降解空間站的各種材料，導(dǎo)致空間站設(shè)備故障，出現(xiàn)平臺(tái)失效和密封性下降等風(fēng)險(xiǎn)。空間站上的微生物主要來源于以下幾個(gè)方而：

    ①乘員自體攜帶的微生物群。②空間站使用材料上攜帶的微生物。③空間站上設(shè)備攜帶的微生物。④空間站在地而總裝測(cè)試階段和發(fā)射準(zhǔn)備階段引入的微生物。⑤空間站來訪航天器及其貨物所攜帶的微生物[3,4] 。迄今為止，國(guó)際空間站上發(fā)現(xiàn)了 84 種微生物，分別屬于 18類細(xì)菌和 12 類真菌，其中細(xì)菌 49 種，真菌 35 種[4] 。微生物可以附著在各種物質(zhì)上，只要條件合適，微生物都能夠利用水中的有機(jī)物生存，產(chǎn)生有機(jī)酸，將材料分解。“聯(lián)盟”飛船停靠半年后的舷窗玻璃，己經(jīng)被微生物腐蝕得看不清了。“禮炮”-7 號(hào)空間站帶回的一個(gè)觀察窗，聚四氟乙烯的密封材料被微生物腐蝕了一個(gè)孔。和平號(hào)空間站結(jié)構(gòu)材料被腐蝕形成了一個(gè) 2mm 的凹陷。這些將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，密封性能降低，觀察窗無(wú)法觀察，從而影響空間站的可靠運(yùn)行，縮短空間站的使用壽命。

    微生物還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的故障。電纜、接插件、電路板等受到微生物的腐蝕后會(huì)出現(xiàn)短路、斷路。國(guó)際空間站上曾經(jīng)有過一臺(tái)通信設(shè)備發(fā)生故障后反復(fù)查找不出原因，后打開設(shè)備機(jī)蓋，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部電路板、電纜及接插件長(zhǎng)滿霉菌，絕緣遭到破壞。空間站的冷凝水中含有豐富的有機(jī)物和微生物，非常適合微生物的生長(zhǎng)，微生物依托水滴繁殖，分泌出的酸腐蝕冷凝干燥器的材料，造成換熱器泄漏。飲用水、收集的廢水，以及管路中流動(dòng)的工質(zhì)很容易在使用和維修操作中受到微生物的污染，引起飲用水污染、管路堵塞等情況，造成系統(tǒng)故障。嚴(yán)重時(shí)將影響航天員和空間站的安全。此外，微生物的生物降解還會(huì)加速某些材料的老化，加快材料有害氣體的釋放，甚至與材料發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，釋放出新的種類的有害氣體，導(dǎo)致密封艙內(nèi)有害氣體超標(biāo)，危害航天員的生命安全[4] 。

圖4 “神舟七號(hào)”載人飛船艙外的固體潤(rùn)滑材料空間環(huán)境暴

露試驗(yàn)裝置

    空間站上的空間輻照是地而的 100倍左右，空間站上微生物的進(jìn)攻性會(huì)因受到長(zhǎng)期的空間輻射而強(qiáng)化。俄羅斯在國(guó)際空間站俄羅斯艙外進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，將微生物的抱子置于鋼、鋁合金和熱控包覆材料等生長(zhǎng)介質(zhì)上，分別在 7個(gè)月、12 個(gè)月和 18 個(gè)月后取回樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在外太空環(huán)境下細(xì)胞內(nèi)脂肪含量增高，返回后的抱子在地而生長(zhǎng)后其穩(wěn)定性更高，對(duì)抗生素耐受能力更強(qiáng)，分泌出的酸更多，酸的類型也更多 ; 其中細(xì)菌的生存能力比真菌更強(qiáng)。因此，地而非常穩(wěn)定的材料在空間站上也會(huì)被腐蝕得很厲害，而且越老的材料越容易受到微生物的腐蝕。為此，國(guó)際空間站為延壽進(jìn)行的壽命評(píng)估工作中，俄羅斯將微生物的腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響納入了對(duì)結(jié)構(gòu)材料的壽命評(píng)估。

    從上述可見，微生物直接威肋、到航天員的健康和空間站的運(yùn)行安全，航天員在飛行過程中自身體內(nèi)的微生態(tài)平衡會(huì)有所變化，人體免疫力下降，空間站中微生物對(duì)航天員健康帶來的危害極其嚴(yán)重。微生物腐蝕會(huì)造成密封件、線路板、結(jié)構(gòu)件等材料的腐蝕，對(duì)空間站的可靠服役帶來隱患。空間站表而微生物控制的首要措施是對(duì)空間站上所使用的材料進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，盡可能控制微生物進(jìn)入空間站環(huán)境，其次，使用具有良好抗菌防霉性能的材料，以減少微生物的生長(zhǎng)，第三，對(duì)所選用的材料進(jìn)行抗菌防霉處理，提高材料的抗菌防霉性能，減緩微生物的生長(zhǎng)。

    3. 武器裝備長(zhǎng)壽命可靠防護(hù)

    武器裝備需要在嚴(yán)寒、沙漠、海洋等不同的環(huán)境下服役，其腐蝕控制涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、表面涂覆等方面。材料表面涂層主要包括：金屬鍍層、陽(yáng)極氧化以及涂料與涂裝，其中涂裝是武器型號(hào)最重要的防護(hù)手段。

    近年來我國(guó)海軍裝備迅猛發(fā)展，巡航范圍已拓展至印度洋亞丁灣海域一帶，該海域緯度接近赤道，海洋氣候環(huán)境更為惡劣。武器裝備在這種嚴(yán)酷環(huán)境服役時(shí)會(huì)遭受嚴(yán)重的腐蝕，從而大大影響武器的性能與作戰(zhàn)能力。具體如下：

    ⑴ . 高溫影響：太陽(yáng)照射及輻射使武器裝備的溫度升高，尤其在海域高溫影響極為突出。武器裝備溫度過高導(dǎo)致熱老化、金屬氧化、油漆脫落等；絕緣部件絕緣作用失效；電子部件的電阻、介質(zhì)常數(shù)等性能參數(shù)改變；潤(rùn)滑劑的粘性降低、失效率增大；物理膨脹導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件過載、活動(dòng)部件卡死、元件焊點(diǎn)脫開等。

    ⑵ . 高濕影響：我國(guó)海洋氣候的一大特點(diǎn)就是高濕持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，出現(xiàn)頻率高。裝備吸收濕氣導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)外表銹蝕，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能下降等；密封部件失效、漏氣等；電子部件絕緣電阻降低，電介常數(shù)增大，電氣性能下降等。

    ⑶ . 鹽霧、霉菌和油霧影響：鹽霧對(duì)裝備的影響不但與鹽霧濃度有關(guān)，還與空氣濕度密切相關(guān)。鹽霧具有導(dǎo)電和腐蝕作用，加速金屬結(jié)構(gòu)的銹蝕，促使電子部件電氣性能下降等；濕熱環(huán)境還適于霉菌生長(zhǎng)，導(dǎo)致絕緣材料性能下降，密封器件老化等；油霧含有大量的碳?xì)浠衔铩⒂袡C(jī)化合物和酸堿類物質(zhì)，同鹽霧一樣對(duì)武器裝備產(chǎn)生腐蝕。

    ⑷ . 大多數(shù)情況下各種氣候環(huán)境因素相互作用，對(duì)武器裝備產(chǎn)生綜合性的影響。如裝備長(zhǎng)期處于惡劣的海洋環(huán)境，高溫及高濕促使某零件表面隔熱防護(hù)涂層脫漆，導(dǎo)致吸熱率增大，加劇溫度及壓力上升。當(dāng)零件內(nèi)壓力達(dá)到臨界值后，會(huì)導(dǎo)致密封件發(fā)生膨脹變形，造成肉眼難以觀察的局部細(xì)微孔隙。如不及時(shí)更換密封件，待溫度下降（夜間或陰雨天）后，受損密封件收縮導(dǎo)致密封效果不佳。零件外部含有鹽霧、霉菌等腐蝕性成分的潮濕空氣進(jìn)入后長(zhǎng)期積累凝結(jié)使得零件內(nèi)部濕度甚至比外部更加惡劣，導(dǎo)致電子電氣設(shè)備失效，影響整個(gè)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的可靠性。

    腐蝕會(huì)大大降低武器裝備的性能和戰(zhàn)斗力，甚至可能導(dǎo)致飛機(jī)不能正常起飛、裝甲車輛不能正常開動(dòng)的極端事例。圖 10 是某型號(hào)在海上實(shí)驗(yàn)后的腐蝕照片，可以看到金屬結(jié)構(gòu)表面涂層已經(jīng)嚴(yán)重鼓泡腐蝕，使得結(jié)構(gòu)本身開始失效。隨著我國(guó)海洋戰(zhàn)略工程的推進(jìn)與實(shí)施，對(duì)于武器裝備的服役壽命也提出了更高的要求。對(duì)于武器裝備的腐蝕控制研究，對(duì)保障未來我軍裝備在海洋環(huán)境的戰(zhàn)斗力具有重要的意義。

    評(píng)價(jià)材料耐蝕性能的常用標(biāo)準(zhǔn)不能兼顧多因素的影響，歐洲的 501 標(biāo)準(zhǔn)雖然包括了鹽霧、濕熱、紫外、冷凝等因素，但是也無(wú)法適用于高寒、高濕熱、高鹽霧等不同極端環(huán)境。航天八院近年來在萬(wàn)寧、永興島等試驗(yàn)站投放了大量試片、涂層、結(jié)構(gòu)件等樣件，考察了數(shù)十種材料表面氟碳、聚氨酯、石墨烯重防腐涂料等不同防護(hù)涂層的耐蝕性能，有效支撐了型號(hào)產(chǎn)品的研制。

    此外，目前國(guó)內(nèi)研發(fā)的新型的防護(hù)涂層種類很多，在兼顧性能、質(zhì)量可靠性、過程管理以及成本的基礎(chǔ)上，如何通過技術(shù)適應(yīng)性研究，形成新的材料防護(hù)體系，也是武器裝備控制腐蝕的關(guān)鍵。

    三、總結(jié)

    航天領(lǐng)域的材料腐蝕與防護(hù)主要包括輕合金表面防護(hù)、空間環(huán)境外露材料表面保護(hù)、空間居留艙微生物控制以及武器裝備長(zhǎng)壽命防護(hù)等方面。航天材料是實(shí)現(xiàn)武器裝備、運(yùn)載、衛(wèi)星及航天飛行器等先進(jìn)裝備高性能、高可靠性、輕量化、小型化的基礎(chǔ)和保障，其腐蝕與防護(hù)技術(shù)是支撐空天裝備創(chuàng)新和航天工程快速發(fā)展的重要技術(shù)之一。隨著我國(guó)航天工程以及國(guó)防建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，超輕材料、特種防護(hù)涂層 / 薄膜等先進(jìn)技術(shù)將扮演越來越重要的角色。

    參考文獻(xiàn)

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    ●  人物簡(jiǎn)介

    鞠鵬飛，江蘇南通人，工學(xué)博士。航天科技八院專業(yè)工藝總師，科技委委員，航天八院149廠熱表分廠副廠長(zhǎng)，表面工程工藝研究室主任。主要從事航天材料腐蝕與防護(hù)、潤(rùn)滑與強(qiáng)化研究，主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)防基礎(chǔ)科研、裝發(fā)先進(jìn)制造等課題 20 余項(xiàng)，發(fā)表論文 30 篇，申請(qǐng)專利 16 項(xiàng)，編制行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 3 項(xiàng)。獲省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng) 1 項(xiàng)，航天八院技術(shù)創(chuàng)新個(gè)人二等獎(jiǎng)，航天八院 149 廠特殊貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，科技進(jìn)步獎(jiǎng)等。入選上海市青年拔尖人才，上海市青年科技啟明星，中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程。兼任中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)理事，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程分會(huì)委員，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程分會(huì)青工委副主任委員。