說到腐蝕，大家可能並不陌生，它每時每刻都在發生。例如：廚房鐵鍋會(hui) 生鏽，碳酸飲料會(hui) 腐蝕牙齒，街道上的護欄風化開裂等等。

鐵質水管的腐蝕（圖片來源：veer圖庫）

有人可能會(hui) 問，太空是高真空環境、沒有水的存在，航天器應該不會(hui) 像地球上那樣被腐蝕吧？但令人意想不到的是，與(yu) “溫順”的地球環境相比，真實的太空對航天器的“外衣”威脅更大。

比如，“和平號”空間站作為(wei) 美俄國際空間站合作計劃的一部分，是前蘇聯建造的第一個(ge) 軌道空間站（蘇聯解體(ti) 後歸俄羅斯）。據統計，它實際在軌工作的十多年時間裏，共發生近2000處故障，其中70%的外體(ti) 遭到腐蝕。

前蘇聯研製的和平號空間站（圖片來源自新華網）

那麽(me) ，究竟是什麽(me) 原因造成太空中航天材料的腐蝕呢？航天器又有什麽(me) “防腐”訣竅呢？

什麽(me) 是腐蝕？

腐蝕是指材料與(yu) 環境間的物理和化學相互作用，使材料性能發生變化，導致材料、環境及其構成係統受到損傷(shang) 。

狹義(yi) 上講，腐蝕指金屬材料在特定環境條件下的失效形態，例如鐵在大氣中的生鏽等。但從(cong) 廣義(yi) 上來說，塑料、陶瓷、混凝土和木材等非金屬材料由化學作用使其消耗或破壞也屬於(yu) 材料腐蝕的範疇，例如，塗料和橡膠由於(yu) 陽光或者化學物質的作用引起變質，老化等。

依據反應曆程，腐蝕可分為(wei) 電化學腐蝕和化學腐蝕兩(liang) 類。通常，在環境中有水參與(yu) 的條件下，腐蝕服從(cong) 電化學動力學基本規律，屬於(yu) 電化學腐蝕範疇。由於(yu) 地球大氣中普遍含有水，化工生產(chan) 中也經常處理各種水溶液，因此，電化學腐蝕是地球上最常見的腐蝕類型；當材料處於(yu) 無水條件下，環境中的氣體(ti) 分子或原子會(hui) 優(you) 先在材料表麵吸附，並通過化學反應造成材料的腐蝕，稱為(wei) 化學腐蝕。

航天器處於(yu) 真空、無水的太空環境中，主要以化學腐蝕為(wei) 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(ge) ：輻射、氧、溫度。

1. 輻射

太空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後所殘留的熱輻射，同時也包括其他天體(ti) 向外釋放的電磁波、高能粒子甚至是宇宙射線。

由於(yu) 地球磁場與(yu) 大氣層對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(liang) 者的保護，完全暴露在這種強輻射環境中，即便是穿著厚重的宇航服，也不能完全避免宇宙輻射對人體(ti) 的傷(shang) 害。麵對太空中如此高強度的輻射，航天器也會(hui) “深受其害”。

宇宙輻射示意圖（圖片來源:百度百科）

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。盡管紫外線隻占太陽光的5%左右，但是能量卻很大。太空中，由於(yu) 缺少地球磁場及大氣層的“保護屏障”，航天器表麵的高分子材料在吸收紫外線後會(hui) 引發聚合物的自我氧化、降解。

另外，波長為(wei) 300nm的紫外線中的單個(ge) 光子所具有的能量約為(wei) 399kJ·mol,這一能量大於(yu) 聚合物中重要的化學鍵的鍵能：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鍵斷裂，從(cong) 而導致聚合物材料性能的急劇下降。因此，為(wei) 了盡可能的削弱太陽輻射對航天器的影響，人類航天任務的發射甚至會(hui) 刻意避開太陽耀斑活動頻繁的時間周期。

2. 氧

航天器剛剛脫離地球表麵大氣層的保護時，首先接觸的便是低地球軌道環境（距離地球200-700km），該區域所處的殘餘(yu) 大氣中，氧含量約占總組分的80%。

殘餘(yu) 大氣中的原子氧（圖片來源:搜狐網）

眾(zhong) 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(wei) 高活性的原子氧，由於(yu) 處於(yu) 高真空及極低的氣體(ti) 總壓狀態下，氧原子與(yu) 其他粒子發生碰撞的幾率很小，導致氧原子很難再次複合成分子態。

當高速運行的航天器與(yu) 原子氧發生劇烈的摩擦、碰撞時，航天器表麵的聚合物材料會(hui) 發生高溫氧化反應，使其電學、光學以及機械性能等方麵發生退化，甚至會(hui) 引起明顯的剝蝕效應，嚴(yan) 重影響航天器的運行安全。

3. 溫度

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

自宇宙大爆炸起，太空中的溫度便開始逐漸降低，在經曆了150多億(yi) 年的演變後，目前的太空正處於(yu) 極寒的環境中，平均溫度隻有約-270.3℃。

但是，真空環境中，由於(yu) 缺少空氣的傳(chuan) 熱和散熱，航天器表麵受陽光直接照射的一麵，其溫度將高達100℃以上，而陽光照射不到的一麵，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(hui) 影響材料的應力，並可能造成航天器“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(ti) 都有其各自的演變曆程，導致不同星球上的環境也是千差萬(wan) 別。航天器在其他星球上執行探測任務時，也需要考慮不同星球的真實環境，很可能會(hui) 有腐蝕性離子的存在。以金星為(wei) 例，作為(wei) 距離我們(men) 地球最近的一顆行星，它的大小、體(ti) 積、重量與(yu) 地球非常接近，被稱為(wei) 地球的“姐妹星”，可是，金星厚厚的大氣層中含有強腐蝕性的硫化物，其與(yu) 氧原子和水蒸氣發生反應會(hui) 形成硫酸，連年的酸雨會(hui) 加快航天器的腐蝕。

防腐秘笈：材料+塗層

在如此複雜的太空環境中，航天器的腐蝕根本無法避免。有關(guan) 數據顯示，一架航天飛機的維修成本甚至遠高於(yu) 其製作成本和發射成本，其中，由於(yu) 腐蝕所造成的維修成本占很大的比重。因此，采用科學的手段抑製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、比重低的高性能材料。在世界各國的科學家的不懈的努力探索下，多種高性能材料不斷湧現。

例如碳纖維或硼纖維增強的環氧樹脂基複合材料、金屬基複合材料等的應用，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-碳複合材料、陶瓷隔熱瓦等特殊材料可以有效解決(jue) 防熱問題；鋁、鎂等輕合金具有密度低、比強度高等特點，可以減輕航天器的結構重量，降低發射成本。

此外，結合不同材料的用途及其實際服役環境，采用合適的表麵處理技術也十分重要。因為(wei) 性能優(you) 異的防護塗層不僅(jin) 可以延長航天器的使用壽命，節省維修成本，同時也可以提高航天材料的功能性，其中包括隔熱性、導電性、電磁屏蔽性等。

與(yu) 地麵裝備表麵防護不同的是，由於(yu) 有機塗層在真空環境中會(hui) 出現放氣、老化脫落等一係列問題，航天材料一般不會(hui) 使用有機塗層進行防腐，而主要采用的表麵技術包括化學/電化學沉積、化學/電化學氧化、無機塗層以及特種薄膜製備等等。

例如，航天器中的鋁合金在使用陽極氧化表麵處理後可以使其表麵硬度、耐磨性與(yu) 耐腐蝕性能增強，同時，該陽極氧化膜層表麵存在大量的微孔，可用於(yu) 吸附各種潤滑劑，適合製造航天器動力係統氣缸或其他耐磨零件。

“嫦娥”奔月時 穿了什麽(me) 外衣？

登錄月球的嫦娥四號探測器（圖片來源:新華網）

鎂合金，作為(wei) 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(you) 點，在航天領域的使用上具有先天的優(you) 勢。為(wei) 了實現減重的目的，我們(men) 熟知的神州、天宮、嫦娥等係列航天器中，均大量使用鎂合金。

以2018年12月發射的“嫦娥四號”探測器為(wei) 例，其中，探月雷達、月球車巡視器、著陸器上許多重要電子設備的箱體(ti) 結構所采用的就是鎂合金，主要利用其減重、導電及優(you) 異的電磁屏蔽性能，可以有效的削弱外界電磁場對核心電路係統的幹擾。但鎂合金化學性質活潑，耐蝕性差，甚至在地麵存放期間便會(hui) 出現嚴(yan) 重的腐蝕。因此，必須采用合理的表麵處理方式，在滿足其導電性及電磁屏蔽性能的基礎上，有效提高其耐腐蝕能力。

中國科學院金屬研究所在這方麵做了很多工作，科研團隊自主研發的鎂合金鍍層具有防腐、導電、電磁屏蔽等多功能性，滿足了航天器若幹的使用要求，並在天宮、嫦娥等多個(ge) 型號的航天器上使用。下圖是嫦娥四號上使用的表麵處理後的鎂質航天器部件。

嫦娥四號用鎂質航天器部件導電塗層展示（圖片來源：作者提供）

結語

腐蝕是全人類共同麵對的問題，腐蝕帶來的負麵影響不可小覷。目前，腐蝕代價(jia) 甚至大於(yu) 所有自然災害損失的總和。

腐蝕對現代工業(ye) 造成的嚴(yan) 重破壞，其直接損失及停工、停產(chan) 等間接損失都是難於(yu) 估計的，甚至會(hui) 危及人類的生命及財產(chan) 安全，因而采取有效的防護措施勢在必行。

在不同環境中，即便同樣的材料，腐蝕情況也會(hui) 千差萬(wan) 別。因此，研究太空環境中的腐蝕問題，有助於(yu) 人類研究在複雜環境中的腐蝕機理，采取針對性的防護措施，有利於(yu) 減少因腐蝕造成的經濟損失，這對國家的經濟建設有著十分重大的現實意義(yi) 。


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