董凱輝 宋影偉
說到腐蝕，大家可能並不陌生，它每時每刻都在發生。例如：廚房鐵鍋會生鏽，碳酸飲料會腐蝕牙齒，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）
有人可能會問，太空是高真空環境、沒有水的存在，航天器應該不會像地球上那樣被腐蝕吧？但令人意想不到的是，與“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軌道空間站（蘇聯解體後歸俄羅斯）。據統計，它實際在軌工作的十多年時間裡，共發生近2000處故障，其中70%的外體遭到腐蝕。
前蘇聯研製的和平號空間站（圖片來源自新華網）
那麼，究竟是什麼原因造成太空中航天材料的腐蝕呢？航天器又有什麼“防腐”訣竅呢？
什麼是腐蝕？
腐蝕是指材料與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、環境及其構成系統受到損傷。
狹義上講，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。但從廣義上來說，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材料腐蝕的範疇，例如，塗料和橡膠由於陽光或者化學物質的作用引起變質，老化等。
依據反應歷程，腐蝕可分為電化學腐蝕和化學腐蝕兩類。通常，在環境中有水參與的條件下，腐蝕服從電化學動力學基本規律，屬於電化學腐蝕範疇。由於地球大氣中普遍含有水，化工生產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；當材料處於無水條件下，環境中的氣體分子或原子會優先在材料表面吸附，並通過化學反應造成材料的腐蝕，稱為化學腐蝕。
航天器處於真空、無水的太空環境中，主要以化學腐蝕為主。
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：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向外釋放的電磁波、高能粒子甚至是宇宙射線。
由於地球磁場與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的傷害。面對太空中如此高強度的輻射，航天器也會“深受其害”。
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。儘管紫外線只佔太陽光的5%左右，但是能量卻很大。太空中，由於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後會引發聚合物的自我氧化、降解。
另外，波長為300nm的紫外線中的單個光子所具有的能量約為399kJ·mol,這一能量大於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，從而導致聚合物材料性能的急劇下降。因此，為了儘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刻意避開太陽耀斑活動頻繁的時間週期。
2. 氧
航天器剛剛脫離地球表面大氣層的保護時，首先接觸的便是低地球軌道環境（距離地球200-700km），該區域所處的殘餘大氣中，氧含量約佔總組分的80%。
殘餘大氣中的原子氧（圖片來源:搜狐網）
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，由於處於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複合成分子態。
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、光學以及機械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。
3. 溫度
在航天器的太空旅行中，除了要面臨宇宙輻射及原子氧的威脅外，還需要接受極為“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，在經歷了150多億年的演變後，目前的太空正處於極寒的環境中，平均溫度只有約-270.3℃。
但是，真空環境中，由於缺少空氣的傳熱和散熱，航天器表面受陽光直接照射的一面，其溫度將高達100℃以上，而陽光照射不到的一面，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，宇宙中各星體都有其各自的演變歷程，導致不同星球上的環境也是千差萬別。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，很可能會有腐蝕性離子的存在。以金星為例，作為距離我們地球最近的一顆行星，它的大小、體積、重量與地球非常接近，被稱為地球的“姐妹星”，可是，金星厚厚的大氣層中含有強腐蝕性的硫化物，其與氧原子和水蒸氣發生反應會形成硫酸，連年的酸雨會加快航天器的腐蝕。
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。有關數據顯示，一架航天飛機的維修成本甚至遠高於其製作成本和發射成本，其中，由於腐蝕所造成的維修成本佔很大的比重。因此，採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、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；採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，採用合適的表面處理技術也十分重要。因為性能優異的防護塗層不僅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。
與地面裝備表面防護不同的是，由於有機塗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塗層進行防腐，而主要採用的表面技術包括化學/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面處理後可以使其表面硬度、耐磨性與耐腐蝕性能增強，同時，該陽極氧化膜層表面存在大量的微孔，可用於吸附各種潤滑劑，適合製造航天器動力系統氣缸或其他耐磨零件。
“嫦娥”奔月時 穿了什麼外衣？
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。
以2018年12月發射的“嫦娥四號”探測器為例，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結構所採用的就是鎂合金，主要利用其減重、導電及優異的電磁屏蔽性能，可以有效的削弱外界電磁場對核心電路系統的干擾。但鎂合金化學性質活潑，耐蝕性差，甚至在地面存放期間便會出現嚴重的腐蝕。因此，必須採用合理的表面處理方式，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面做了很多工作，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，滿足了航天器若干的使用要求，並在天宮、嫦娥等多個型號的航天器上使用。下圖是嫦娥四號上使用的表面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
腐蝕是全人類共同面對的問題，腐蝕帶來的負面影響不可小覷。目前，腐蝕代價甚至大於所有自然災害損失的總和。
腐蝕對現代工業造成的嚴重破壞，其直接損失及停工、停產等間接損失都是難於估計的，甚至會危及人類的生命及財產安全，因而採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，腐蝕情況也會千差萬別。因此，研究太空環境中的腐蝕問題，有助於人類研究在複雜環境中的腐蝕機理，採取針對性的防護措施，有利於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。
作者單位：中國科學院金屬研究所
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