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航天材料腐蚀与防护技术研究现状

2018-04-20 09:56:16
作者:鞠鹏飞 苏培博 刘明芳 郭立杰 徐智卿
来源:上海航天设备制造总厂

航天材料腐蚀与防护技术是支撑空天装备创新和航天工程快速发展的重要技术之一。

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鞠鹏飞 工学博士 航天科技八院专业工艺总师

 

    一、 前言

 

    航天材料是实现武器装备、运载、卫星及航天飞行器等先进装备高性能、高可靠性、轻量化、小型化的基础和保障。航天材料腐蚀与防护技术是支撑空天装备创新和航天工程快速发展的重要技术之一。航天领域的腐蚀控制主要有三个方面:1)宇航型号在地面研制、调试阶段的材料防护;2)空间飞行器在极端空间环境下的防老化、抗辐照以及空间居留舱微生物控制;3)武器装备在不同环境下的长寿命防护。宇航任务成败的关键控制因素之一是“多余物”,细小的多余物会可能造成整个型号报废。比如:运载火箭需要保证数米长的细导管内没有一丝腐蚀斑;卫星型号电子单机需要保证其经过多个周期湿热等试验后,耐蚀等级达到十级,任何细微的腐蚀斑点都可能对整个机构的功能造成不可挽回的影响。与地面装备表面防护不同的是,宇航产品结构件一般都不会使用有机涂层进行防腐,有机涂层在空间环境存在真空放气、老化脱落等一系列的问题。航天材料主要通过表面工程技术进行防护,包括化学 / 电化学沉积、化学 / 电化学氧化、有机 / 无机涂层以及特种薄膜制备等等。上述技术的应用为航天型号的研制提供了技术保障。


    二、 航天材料表面防护技术

 

    1. 宇航型号结构件表面防护

 

    随着全球国防科技工业的快速发展,各国纷纷大力开发高性能轻质结构材料,对火箭、导弹、卫星等实施减重,空间飞行器对重量的“敏感度”已进入“克克计较”时代,航天飞机的重量每减轻 1kg,其发射成本就可减少 15000 美元。一枚洲际导弹重量减轻 1Kg,整个运载火箭的起飞重量就可减轻 50Kg,地面设备的结构重量就可减轻 100Kg。目前国内外宇航型号大多数采用铝合金、镁合金等材料实现减重的目的。上述材料主要通过阳极氧化、化学氧化、微弧氧化、化学镀镍等多种技术防腐。


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    随着型号研制的进一步发展,传统镁合金已无法满足宇航飞行器的减重需求,镁锂合金作为一种新兴的超轻材料,开始在航天领域逐步应用。镁锂合金与铝合金相比能够减40% ~ 50%,与一般镁合金相比能够减重 20% ~ 30%,在航天航空领域具有巨大的潜在应用价值。早在 1960 年代,美国 NASA 即开发应用于航天工业零件上,前苏联科学院开发出了 MA21,MA18 等合金,并制造出了强度与延性较好、组织稳定的镁锂合金零件。镁锂合金可用于制造火箭的舱体、陀螺仪、仪表盘等;无人机 / 预警机 / 直升机 / 战机构件如蒙皮、座位架、机载雷达、飞机上下侧板等;飞行器的防护罩、防宇宙尘壁板、降落伞扣、控制杆、航天气瓶内衬、计算机设备外壳、支架、电器的框架、燃料箱等;登月平台及机构等。美国和前苏联在卫星、火箭及宇宙飞船上都采用有镁锂合金制备的零部件。用镁锂合金替代铝合金、钛合金及铍合金,可获得20% ~ 30% 的减重效果。飞行器减重后速度更快、飞距更远、精度更高、成本更低,可满足未来作战远程投放、快速部署、机动作战的战术需要。镁锂合金轻、比刚度高、导电导热,可以作为电器壳体和仪表盘,有效减重;优异的电磁屏蔽性能以及超轻高强特性,是作为制导部件和控制舱壳体的理想材料;超轻高强特性使之成为尾翼减重的最佳材料。特别是在坦克装甲材料方面,美国于 2012 年投入 9000 万美元研究镁合金作为装甲设备材料。镁锂合金具有不低于镁合金的强度,高于镁合金的塑性以及更好的内耗系数,是优于其它镁合金的复合装甲材料的夹层;使用镁锂合金能够使坦克装甲设备大幅度减重,从而增加机动性和灵活性;同时由于镁锂合金良好的减震性能,能够减少子弹或炮弹冲击时造成的震动,有效的保护军人。半个多世纪的研究表明,通过添加适当的合金元素可以获得低密度、高比强度的超轻镁锂合金,但是其耐腐蚀性能差的问题一直没有得到很好的解决。


    近年来,国产镁锂合金材料也开始逐步应用于卫星型号,在降低卫星结构系统质量,提高卫星承载能力上取得了显著的成效,但镁锂合金化学性质活泼,易与周围环境发生化学或电化学反应,导致其耐蚀性能很差。增强镁锂合金耐蚀性的方法主要分为两类,一是提高自身的耐蚀能力,主要通过净化合金成分或者改善微观结构来实现;二是通过表面处理或改性,使合金基体与外部环境隔绝开,这也是目前最常用的方法,主要包括:微弧氧化、化学镀与电镀镍和化学氧化。


    2. 空间环境下航天材料表面防护

 

    航天型号还有一类特殊的材料失效形式——来自空间环境的“腐蚀”。卫星、空间站等型号在空间环境服役时,需要经受复杂的空间环境,包括高真空环境、冷黑环境、太阳电磁辐射、带电粒子辐射、中性大气、空间碎片与微流星体、等离子体、微振动、微重力、人工辐射 ( 核爆炸辐射和激光辐射等 ) 以及载人密封舱内的细菌、湿度等环境。在深空探测过程中,还需要考虑月球月尘、火星尘暴、金星酸性大气等[1] 。此外,飞行器的外露材料如:热控涂层以及太阳翼电池片,需要经受大量的空间粒子轰击,从而造成性能下降,其中原子氧与紫外对材料的损伤最大。


    诸多空间飞行器服役于低地球轨道环境,低地球轨道环境稀薄气体的主要组分为高活性的原子氧。对于空间原子氧效应的关注始于 20 世纪 80 年代初,人们观察到返回地面的航天器表面发生了明显变化,分析认为这一现象与低地球轨道的原子氧效应有关。2008 年,我国首次开展了针对固体润滑材料的低地球轨道空间环境暴露试验。如图 4 所示,空间环境暴露试验样品由中国科学院兰州化学物理研究所负责研制,包含了二硫属层状结构化合物、软金属、聚合物薄膜材料,聚酰亚胺及磷酸盐黏结润滑涂层以及聚合物自润滑材料等目前较常用的几类空间固体润滑材料,首次取得了润滑材料经过空间环境后的性能变化数据[2] 。


    原子氧对材料的主要效应表现为氧化和剥蚀。在 Au、Ag、Pb、In 等几种面心立方结构软金属中,Au 由于化学惰性而对原子氧不敏感,其他几种软金属在原子氧侵蚀环境均会表现出不同程度的氧化和剥蚀效应[2] 。空间站柔性太阳翼电池阵所使用的聚酰亚胺材料需要进行特殊的防原子氧剥蚀表面处理,从而保障可靠服役。


    此外,载人空间站为航天员长期驻留创造的良好环境,同样也为微生物的滋生提供了有利条件。真菌和霉菌会腐蚀和降解空间站的各种材料,导致空间站设备故障,出现平台失效和密封性下降等风险。空间站上的微生物主要来源于以下几个方而:


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    ①乘员自体携带的微生物群。②空间站使用材料上携带的微生物。③空间站上设备携带的微生物。④空间站在地而总装测试阶段和发射准备阶段引入的微生物。⑤空间站来访航天器及其货物所携带的微生物[3,4] 。迄今为止,国际空间站上发现了 84 种微生物,分别属于 18类细菌和 12 类真菌,其中细菌 49 种,真菌 35 种[4] 。微生物可以附着在各种物质上,只要条件合适,微生物都能够利用水中的有机物生存,产生有机酸,将材料分解。“联盟”飞船停靠半年后的舷窗玻璃,己经被微生物腐蚀得看不清了。“礼炮”-7 号空间站带回的一个观察窗,聚四氟乙烯的密封材料被微生物腐蚀了一个孔。和平号空间站结构材料被腐蚀形成了一个 2mm 的凹陷。这些将会导致结构强度下降,密封性能降低,观察窗无法观察,从而影响空间站的可靠运行,缩短空间站的使用寿命。


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    微生物还会导致设备的故障。电缆、接插件、电路板等受到微生物的腐蚀后会出现短路、断路。国际空间站上曾经有过一台通信设备发生故障后反复查找不出原因,后打开设备机盖,发现设备内部电路板、电缆及接插件长满霉菌,绝缘遭到破坏。空间站的冷凝水中含有丰富的有机物和微生物,非常适合微生物的生长,微生物依托水滴繁殖,分泌出的酸腐蚀冷凝干燥器的材料,造成换热器泄漏。饮用水、收集的废水,以及管路中流动的工质很容易在使用和维修操作中受到微生物的污染,引起饮用水污染、管路堵塞等情况,造成系统故障。严重时将影响航天员和空间站的安全。此外,微生物的生物降解还会加速某些材料的老化,加快材料有害气体的释放,甚至与材料发生生物化学反应,释放出新的种类的有害气体,导致密封舱内有害气体超标,危害航天员的生命安全[4] 。


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图4 “神舟七号”载人飞船舱外的固体润滑材料空间环境暴

露试验装置

 

    空间站上的空间辐照是地而的 100倍左右,空间站上微生物的进攻性会因受到长期的空间辐射而强化。俄罗斯在国际空间站俄罗斯舱外进行了相关实验,将微生物的抱子置于钢、铝合金和热控包覆材料等生长介质上,分别在 7个月、12 个月和 18 个月后取回样品。实验结果表明,在外太空环境下细胞内脂肪含量增高,返回后的抱子在地而生长后其稳定性更高,对抗生素耐受能力更强,分泌出的酸更多,酸的类型也更多 ; 其中细菌的生存能力比真菌更强。因此,地而非常稳定的材料在空间站上也会被腐蚀得很厉害,而且越老的材料越容易受到微生物的腐蚀。为此,国际空间站为延寿进行的寿命评估工作中,俄罗斯将微生物的腐蚀对结构强度的影响纳入了对结构材料的寿命评估。


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    从上述可见,微生物直接威肋、到航天员的健康和空间站的运行安全,航天员在飞行过程中自身体内的微生态平衡会有所变化,人体免疫力下降,空间站中微生物对航天员健康带来的危害极其严重。微生物腐蚀会造成密封件、线路板、结构件等材料的腐蚀,对空间站的可靠服役带来隐患。空间站表而微生物控制的首要措施是对空间站上所使用的材料进行严格的筛选,尽可能控制微生物进入空间站环境,其次,使用具有良好抗菌防霉性能的材料,以减少微生物的生长,第三,对所选用的材料进行抗菌防霉处理,提高材料的抗菌防霉性能,减缓微生物的生长。


    3. 武器装备长寿命可靠防护

 

    武器装备需要在严寒、沙漠、海洋等不同的环境下服役,其腐蚀控制涉及到结构设计、选材、表面涂覆等方面。材料表面涂层主要包括:金属镀层、阳极氧化以及涂料与涂装,其中涂装是武器型号最重要的防护手段。


    近年来我国海军装备迅猛发展,巡航范围已拓展至印度洋亚丁湾海域一带,该海域纬度接近赤道,海洋气候环境更为恶劣。武器装备在这种严酷环境服役时会遭受严重的腐蚀,从而大大影响武器的性能与作战能力。具体如下:


    ⑴ . 高温影响:太阳照射及辐射使武器装备的温度升高,尤其在海域高温影响极为突出。武器装备温度过高导致热老化、金属氧化、油漆脱落等;绝缘部件绝缘作用失效;电子部件的电阻、介质常数等性能参数改变;润滑剂的粘性降低、失效率增大;物理膨胀导致结构部件过载、活动部件卡死、元件焊点脱开等。


    ⑵ . 高湿影响:我国海洋气候的一大特点就是高湿持续时间长,出现频率高。装备吸收湿气导致金属结构外表锈蚀,复合材料结构力学性能下降等;密封部件失效、漏气等;电子部件绝缘电阻降低,电介常数增大,电气性能下降等。


    ⑶ . 盐雾、霉菌和油雾影响:盐雾对装备的影响不但与盐雾浓度有关,还与空气湿度密切相关。盐雾具有导电和腐蚀作用,加速金属结构的锈蚀,促使电子部件电气性能下降等;湿热环境还适于霉菌生长,导致绝缘材料性能下降,密封器件老化等;油雾含有大量的碳氢化合物、有机化合物和酸碱类物质,同盐雾一样对武器装备产生腐蚀。


    ⑷ . 大多数情况下各种气候环境因素相互作用,对武器装备产生综合性的影响。如装备长期处于恶劣的海洋环境,高温及高湿促使某零件表面隔热防护涂层脱漆,导致吸热率增大,加剧温度及压力上升。当零件内压力达到临界值后,会导致密封件发生膨胀变形,造成肉眼难以观察的局部细微孔隙。如不及时更换密封件,待温度下降(夜间或阴雨天)后,受损密封件收缩导致密封效果不佳。零件外部含有盐雾、霉菌等腐蚀性成分的潮湿空气进入后长期积累凝结使得零件内部湿度甚至比外部更加恶劣,导致电子电气设备失效,影响整个导弹武器系统的可靠性。


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    腐蚀会大大降低武器装备的性能和战斗力,甚至可能导致飞机不能正常起飞、装甲车辆不能正常开动的极端事例。图 10 是某型号在海上实验后的腐蚀照片,可以看到金属结构表面涂层已经严重鼓泡腐蚀,使得结构本身开始失效。随着我国海洋战略工程的推进与实施,对于武器装备的服役寿命也提出了更高的要求。对于武器装备的腐蚀控制研究,对保障未来我军装备在海洋环境的战斗力具有重要的意义。


    评价材料耐蚀性能的常用标准不能兼顾多因素的影响,欧洲的 501 标准虽然包括了盐雾、湿热、紫外、冷凝等因素,但是也无法适用于高寒、高湿热、高盐雾等不同极端环境。航天八院近年来在万宁、永兴岛等试验站投放了大量试片、涂层、结构件等样件,考察了数十种材料表面氟碳、聚氨酯、石墨烯重防腐涂料等不同防护涂层的耐蚀性能,有效支撑了型号产品的研制。


    此外,目前国内研发的新型的防护涂层种类很多,在兼顾性能、质量可靠性、过程管理以及成本的基础上,如何通过技术适应性研究,形成新的材料防护体系,也是武器装备控制腐蚀的关键。


    三、总结

 

    航天领域的材料腐蚀与防护主要包括轻合金表面防护、空间环境外露材料表面保护、空间居留舱微生物控制以及武器装备长寿命防护等方面。航天材料是实现武器装备、运载、卫星及航天飞行器等先进装备高性能、高可靠性、轻量化、小型化的基础和保障,其腐蚀与防护技术是支撑空天装备创新和航天工程快速发展的重要技术之一。随着我国航天工程以及国防建设的进一步推进,超轻材料、特种防护涂层 / 薄膜等先进技术将扮演越来越重要的角色。


    参考文献

 

    [1]沈自才,姜海富,徐坤博,丁义刚,刘宇明,航天材料空间环境效应损伤机制及关联性研究 [J],宇航材料工艺,2016,2,1-8.


    [2]高晓明,胡明,孙嘉奕,翁立军,润滑材料的空间环境效应 [J],中国材料进展,2017,36(7-8),481-491.


    [3]邹士文,肖葵,董超芳,丁康康,李晓刚,空间站环境控制与生命保障系统微生物腐蚀行为与控制方法 [J],科技导报,2013,31(30),61-66.


    [4]杨宏,侯永青,张兰涛,微生物控制一我国空间站面临的新挑战 [J],载人航天,2013,19(2),38-46.


    ●  人物简介

 

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    鞠鹏飞,江苏南通人,工学博士。航天科技八院专业工艺总师,科技委委员,航天八院149厂热表分厂副厂长,表面工程工艺研究室主任。主要从事航天材料腐蚀与防护、润滑与强化研究,主持国家自然科学基金、国防基础科研、装发先进制造等课题 20 余项,发表论文 30 篇,申请专利 16 项,编制行业标准 3 项。获省部级奖项 1 项,航天八院技术创新个人二等奖,航天八院 149 厂特殊贡献奖,科技进步奖等。入选上海市青年拔尖人才,上海市青年科技启明星,中国科协青年人才托举工程。兼任中国腐蚀与防护学会理事,中国机械工程学会表面工程分会委员,中国机械工程学会表面工程分会青工委副主任委员。

标签: 鞠鹏飞, 航天材料, 腐蚀防护

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