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      1. 業界視點 | 航天材料腐蝕與防護技術研究現狀
        2018-06-07 13:38:14 作者:鞠鵬飛 蘇培博 劉明芳 郭立杰 徐智卿 上海航天設備制造總廠 來源:《腐蝕防護之友》 分享至:

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        鞠鵬飛 工學博士 航天科技八院專業工藝總師

         

            一、 前言

         

            航天材料是實現武器裝備、運載、衛星及航天飛行器等先進裝備高性能、高可靠性、輕量化、小型化的基礎和保障。航天材料腐蝕與防護技術是支撐空天裝備創新和航天工程快速發展的重要技術之一。航天領域的腐蝕控制主要有三個方面:1)宇航型號在地面研制、調試階段的材料防護;2)空間飛行器在極端空間環境下的防老化、抗輻照以及空間居留艙微生物控制;3)武器裝備在不同環境下的長壽命防護。宇航任務成敗的關鍵控制因素之一是“多余物”,細小的多余物會可能造成整個型號報廢。比如:運載火箭需要保證數米長的細導管內沒有一絲腐蝕斑;衛星型號電子單機需要保證其經過多個周期濕熱等試驗后,耐蝕等級達到十級,任何細微的腐蝕斑點都可能對整個機構的功能造成不可挽回的影響。與地面裝備表面防護不同的是,宇航產品結構件一般都不會使用有機涂層進行防腐,有機涂層在空間環境存在真空放氣、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進行防護,包括化學 / 電化學沉積、化學 / 電化學氧化、有機 / 無機涂層以及特種薄膜制備等等。上述技術的應用為航天型號的研制提供了技術保障。


            二、 航天材料表面防護技術

         

            1. 宇航型號結構件表面防護

         

            隨著全球國防科技工業的快速發展,各國紛紛大力開發高性能輕質結構材料,對火箭、導彈、衛星等實施減重,空間飛行器對重量的“敏感度”已進入“克克計較”時代,航天飛機的重量每減輕 1kg,其發射成本就可減少 15000 美元。一枚洲際導彈重量減輕 1Kg,整個運載火箭的起飛重量就可減輕 50Kg,地面設備的結構重量就可減輕 100Kg。目前國內外宇航型號大多數采用鋁合金、鎂合金等材料實現減重的目的。上述材料主要通過陽極氧化、化學氧化、微弧氧化、化學鍍鎳等多種技術防腐。


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            隨著型號研制的進一步發展,傳統鎂合金已無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,開始在航天領域逐步應用。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%,在航天航空領域具有巨大的潛在應用價值。早在 1960 年代,美國 NASA 即開發應用于航天工業零件上,前蘇聯科學院開發出了 MA21,MA18 等合金,并制造出了強度與延性較好、組織穩定的鎂鋰合金零件。鎂鋰合金可用于制造火箭的艙體、陀螺儀、儀表盤等;無人機 / 預警機 / 直升機 / 戰機構件如蒙皮、座位架、機載雷達、飛機上下側板等;飛行器的防護罩、防宇宙塵壁板、降落傘扣、控制桿、航天氣瓶內襯、計算機設備外殼、支架、電器的框架、燃料箱等;登月平臺及機構等。美國和前蘇聯在衛星、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、精度更高、成本更低,可滿足未來作戰遠程投放、快速部署、機動作戰的戰術需要。鎂鋰合金輕、比剛度高、導電導熱,可以作為電器殼體和儀表盤,有效減重;優異的電磁屏蔽性能以及超輕高強特性,是作為制導部件和控制艙殼體的理想材料;超輕高強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,美國于 2012 年投入 9000 萬美元研究鎂合金作為裝甲設備材料。鎂鋰合金具有不低于鎂合金的強度,高于鎂合金的塑性以及更好的內耗系數,是優于其它鎂合金的復合裝甲材料的夾層;使用鎂鋰合金能夠使坦克裝甲設備大幅度減重,從而增加機動性和靈活性;同時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造成的震動,有效的保護軍人。半個多世紀的研究表明,通過添加適當的合金元素可以獲得低密度、高比強度的超輕鎂鋰合金,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,國產鎂鋰合金材料也開始逐步應用于衛星型號,在降低衛星結構系統質量,提高衛星承載能力上取得了顯著的成效,但鎂鋰合金化學性質活潑,易與周圍環境發生化學或電化學反應,導致其耐蝕性能很差。增強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構來實現;二是通過表面處理或改性,使合金基體與外部環境隔絕開,這也是目前最常用的方法,主要包括:微弧氧化、化學鍍與電鍍鎳和化學氧化。


            2. 空間環境下航天材料表面防護

         

            航天型號還有一類特殊的材料失效形式——來自空間環境的“腐蝕”。衛星、空間站等型號在空間環境服役時,需要經受復雜的空間環境,包括高真空環境、冷黑環境、太陽電磁輻射、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、微重力、人工輻射 ( 核爆炸輻射和激光輻射等 ) 以及載人密封艙內的細菌、濕度等環境。在深空探測過程中,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:熱控涂層以及太陽翼電池片,需要經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材料的損傷最大。


            諸多空間飛行器服役于低地球軌道環境,低地球軌道環境稀薄氣體的主要組分為高活性的原子氧。對于空間原子氧效應的關注始于 20 世紀 80 年代初,人們觀察到返回地面的航天器表面發生了明顯變化,分析認為這一現象與低地球軌道的原子氧效應有關。2008 年,我國首次開展了針對固體潤滑材料的低地球軌道空間環境暴露試驗。如圖 4 所示,空間環境暴露試驗樣品由中國科學院蘭州化學物理研究所負責研制,包含了二硫屬層狀結構化合物、軟金屬、聚合物薄膜材料,聚酰亞胺及磷酸鹽黏結潤滑涂層以及聚合物自潤滑材料等目前較常用的幾類空間固體潤滑材料,首次取得了潤滑材料經過空間環境后的性能變化數據[2] 。


            原子氧對材料的主要效應表現為氧化和剝蝕。在 Au、Ag、Pb、In 等幾種面心立方結構軟金屬中,Au 由于化學惰性而對原子氧不敏感,其他幾種軟金屬在原子氧侵蝕環境均會表現出不同程度的氧化和剝蝕效應[2] 。空間站柔性太陽翼電池陣所使用的聚酰亞胺材料需要進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期駐留創造的良好環境,同樣也為微生物的滋生提供了有利條件。真菌和霉菌會腐蝕和降解空間站的各種材料,導致空間站設備故障,出現平臺失效和密封性下降等風險。空間站上的微生物主要來源于以下幾個方而:


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            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空間站上設備攜帶的微生物。④空間站在地而總裝測試階段和發射準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,國際空間站上發現了 84 種微生物,分別屬于 18類細菌和 12 類真菌,其中細菌 49 種,真菌 35 種[4] 。微生物可以附著在各種物質上,只要條件合適,微生物都能夠利用水中的有機物生存,產生有機酸,將材料分解。“聯盟”飛船停靠半年后的舷窗玻璃,己經被微生物腐蝕得看不清了。“禮炮”-7 號空間站帶回的一個觀察窗,聚四氟乙烯的密封材料被微生物腐蝕了一個孔。和平號空間站結構材料被腐蝕形成了一個 2mm 的凹陷。這些將會導致結構強度下降,密封性能降低,觀察窗無法觀察,從而影響空間站的可靠運行,縮短空間站的使用壽命。


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            微生物還會導致設備的故障。電纜、接插件、電路板等受到微生物的腐蝕后會出現短路、斷路。國際空間站上曾經有過一臺通信設備發生故障后反復查找不出原因,后打開設備機蓋,發現設備內部電路板、電纜及接插件長滿霉菌,絕緣遭到破壞。空間站的冷凝水中含有豐富的有機物和微生物,非常適合微生物的生長,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,以及管路中流動的工質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,造成系統故障。嚴重時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,甚至與材料發生生物化學反應,釋放出新的種類的有害氣體,導致密封艙內有害氣體超標,危害航天員的生命安全[4] 。


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        圖4 “神舟七號”載人飛船艙外的固體潤滑材料空間環境暴

        露試驗裝置

         

            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攻性會因受到長期的空間輻射而強化。俄羅斯在國際空間站俄羅斯艙外進行了相關實驗,將微生物的抱子置于鋼、鋁合金和熱控包覆材料等生長介質上,分別在 7個月、12 個月和 18 個月后取回樣品。實驗結果表明,在外太空環境下細胞內脂肪含量增高,返回后的抱子在地而生長后其穩定性更高,對抗生素耐受能力更強,分泌出的酸更多,酸的類型也更多 ; 其中細菌的生存能力比真菌更強。因此,地而非常穩定的材料在空間站上也會被腐蝕得很厲害,而且越老的材料越容易受到微生物的腐蝕。為此,國際空間站為延壽進行的壽命評估工作中,俄羅斯將微生物的腐蝕對結構強度的影響納入了對結構材料的壽命評估。


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            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行安全,航天員在飛行過程中自身體內的微生態平衡會有所變化,人體免疫力下降,空間站中微生物對航天員健康帶來的危害極其嚴重。微生物腐蝕會造成密封件、線路板、結構件等材料的腐蝕,對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空間站上所使用的材料進行嚴格的篩選,盡可能控制微生物進入空間站環境,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,第三,對所選用的材料進行抗菌防霉處理,提高材料的抗菌防霉性能,減緩微生物的生長。


            3. 武器裝備長壽命可靠防護

         

            武器裝備需要在嚴寒、沙漠、海洋等不同的環境下服役,其腐蝕控制涉及到結構設計、選材、表面涂覆等方面。材料表面涂層主要包括:金屬鍍層、陽極氧化以及涂料與涂裝,其中涂裝是武器型號最重要的防護手段。


            近年來我國海軍裝備迅猛發展,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,海洋氣候環境更為惡劣。武器裝備在這種嚴酷環境服役時會遭受嚴重的腐蝕,從而大大影響武器的性能與作戰能力。具體如下:


            ⑴ . 高溫影響:太陽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、介質常數等性能參數改變;潤滑劑的粘性降低、失效率增大;物理膨脹導致結構部件過載、活動部件卡死、元件焊點脫開等。


            ⑵ . 高濕影響:我國海洋氣候的一大特點就是高濕持續時間長,出現頻率高。裝備吸收濕氣導致金屬結構外表銹蝕,復合材料結構力學性能下降等;密封部件失效、漏氣等;電子部件絕緣電阻降低,電介常數增大,電氣性能下降等。


            ⑶ . 鹽霧、霉菌和油霧影響:鹽霧對裝備的影響不但與鹽霧濃度有關,還與空氣濕度密切相關。鹽霧具有導電和腐蝕作用,加速金屬結構的銹蝕,促使電子部件電氣性能下降等;濕熱環境還適于霉菌生長,導致絕緣材料性能下降,密封器件老化等;油霧含有大量的碳氫化合物、有機化合物和酸堿類物質,同鹽霧一樣對武器裝備產生腐蝕。


            ⑷ . 大多數情況下各種氣候環境因素相互作用,對武器裝備產生綜合性的影響。如裝備長期處于惡劣的海洋環境,高溫及高濕促使某零件表面隔熱防護涂層脫漆,導致吸熱率增大,加劇溫度及壓力上升。當零件內壓力達到臨界值后,會導致密封件發生膨脹變形,造成肉眼難以觀察的局部細微孔隙。如不及時更換密封件,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入后長期積累凝結使得零件內部濕度甚至比外部更加惡劣,導致電子電氣設備失效,影響整個導彈武器系統的可靠性。


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            腐蝕會大大降低武器裝備的性能和戰斗力,甚至可能導致飛機不能正常起飛、裝甲車輛不能正常開動的極端事例。圖 10 是某型號在海上實驗后的腐蝕照片,可以看到金屬結構表面涂層已經嚴重鼓泡腐蝕,使得結構本身開始失效。隨著我國海洋戰略工程的推進與實施,對于武器裝備的服役壽命也提出了更高的要求。對于武器裝備的腐蝕控制研究,對保障未來我軍裝備在海洋環境的戰斗力具有重要的意義。


            評價材料耐蝕性能的常用標準不能兼顧多因素的影響,歐洲的 501 標準雖然包括了鹽霧、濕熱、紫外、冷凝等因素,但是也無法適用于高寒、高濕熱、高鹽霧等不同極端環境。航天八院近年來在萬寧、永興島等試驗站投放了大量試片、涂層、結構件等樣件,考察了數十種材料表面氟碳、聚氨酯、石墨烯重防腐涂料等不同防護涂層的耐蝕性能,有效支撐了型號產品的研制。


            此外,目前國內研發的新型的防護涂層種類很多,在兼顧性能、質量可靠性、過程管理以及成本的基礎上,如何通過技術適應性研究,形成新的材料防護體系,也是武器裝備控制腐蝕的關鍵。


            三、總結

         

            航天領域的材料腐蝕與防護主要包括輕合金表面防護、空間環境外露材料表面保護、空間居留艙微生物控制以及武器裝備長壽命防護等方面。航天材料是實現武器裝備、運載、衛星及航天飛行器等先進裝備高性能、高可靠性、輕量化、小型化的基礎和保障,其腐蝕與防護技術是支撐空天裝備創新和航天工程快速發展的重要技術之一。隨著我國航天工程以及國防建設的進一步推進,超輕材料、特種防護涂層 / 薄膜等先進技術將扮演越來越重要的角色。


            參考文獻

         

            [1]沈自才,姜海富,徐坤博,丁義剛,劉宇明,航天材料空間環境效應損傷機制及關聯性研究 [J],宇航材料工藝,2016,2,1-8.


            [2]高曉明,胡明,孫嘉奕,翁立軍,潤滑材料的空間環境效應 [J],中國材料進展,2017,36(7-8),481-491.


            [3]鄒士文,肖葵,董超芳,丁康康,李曉剛,空間站環境控制與生命保障系統微生物腐蝕行為與控制方法 [J],科技導報,2013,31(30),61-66.


            [4]楊宏,侯永青,張蘭濤,微生物控制一我國空間站面臨的新挑戰 [J],載人航天,2013,19(2),38-46.


            ●  人物簡介

         

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            鞠鵬飛,江蘇南通人,工學博士。航天科技八院專業工藝總師,科技委委員,航天八院149廠熱表分廠副廠長,表面工程工藝研究室主任。主要從事航天材料腐蝕與防護、潤滑與強化研究,主持國家自然科學基金、國防基礎科研、裝發先進制造等課題 20 余項,發表論文 30 篇,申請專利 16 項,編制行業標準 3 項。獲省部級獎項 1 項,航天八院技術創新個人二等獎,航天八院 149 廠特殊貢獻獎,科技進步獎等。入選上海市青年拔尖人才,上海市青年科技啟明星,中國科協青年人才托舉工程。兼任中國腐蝕與防護學會理事,中國機械工程學會表面工程分會委員,中國機械工程學會表面工程分會青工委副主任委員。

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