低軌道環(huán)境對材料影響.doc

綜述低地球軌道環(huán)境對材料的影響湛永鐘 張國定(上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200o3o)文摘綜述了原子氧、空間輻射、熱循環(huán)、高真空、微流星和空間碎片等低地球軌道環(huán)境因素對材料性能的影響；從地面模擬實(shí)驗(yàn)、材料研制與防護(hù)涂層的開發(fā)等方面提出了急需解決的問題，為空間站、人造衛(wèi)星等低軌道航天器用材料的選擇與研制提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞低地球軌道環(huán)境，空間材料，原子氧，熱循環(huán)1 引言低地球軌道距離地面100 km 1 000 km，是對地觀測衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、空間站等航天器的運(yùn)行區(qū)域。由于低軌道空間環(huán)境很惡劣，它對航天器的影響一直為人們所關(guān)注。近二十幾年來，人們利用飛行試驗(yàn)和地面模擬實(shí)驗(yàn)大量研究了低地球軌道環(huán)境對空間材料的影響。1990年，美國宇航局(N )回收了在低地球軌道中運(yùn)行了69個(gè)月的“長期暴露裝置”(LDEF)，對多種航天器侯選材料進(jìn)行了低軌道環(huán)境效應(yīng)的研究，結(jié)果表明【卜3j：低地球軌道中的原子氧對材料表面的腐蝕可導(dǎo)致材料性能的退化，空間輻射使有機(jī)材料性能劣化，熱循環(huán)造成材料尺寸的不穩(wěn)定和機(jī)械性能下降，微流星體和空間碎片的撞擊造成材料機(jī)械損傷甚至破壞，而超高真空則會導(dǎo)致有機(jī)材料分解蛻變、放氣。值得注意的是，這些因素往往協(xié)同作用，加速了材料的破壞，產(chǎn)生許多意想不到的結(jié)果。隨著開發(fā)利用空間資源的日益增長，對航天器的設(shè)計(jì)壽命(30年或更長)和可靠性提出了更高的要求，尤其是大型永久性載人空間站的建設(shè)，使得關(guān)于空間環(huán)境對材料影響的研究越來越顯示出重要性和緊迫性。研究材料的低地球軌道環(huán)境效應(yīng)，開發(fā)滿足航天器性能要求且對空間環(huán)境有較好的適應(yīng)性和耐久性的材料已成為一個(gè)熱點(diǎn)課題。2 低地球軌道環(huán)境及其對材料的作用低地球軌道空間環(huán)境很復(fù)雜，目前主要研究的是原子氧、熱循環(huán)、空間輻射、高真空、微流星和空間碎片對材料的影響。21 原子氧原子氧是低地球軌道大氣中的主要成分，由太陽紫外線分解氧分子而產(chǎn)生的，其密度并不高，且隨著軌道高度、軌道傾角、太陽活動周期與季節(jié)等的不同而異。但當(dāng)航天器以8 klns左右繞道飛行時(shí)，原子氧撞擊的束流密度可達(dá)10b 0atomscmI2s 10 0atoms cm 一2s一 【 ，。在如此高的撞擊速度下，原子氧的平均撞擊能為5 eV6 J，這一能量足以使許多材料的化學(xué)鍵斷裂并發(fā)生氧化；又由于原子氧本身是一種強(qiáng)氧化劑，因此造成材料質(zhì)量損失、表面剝蝕和性能退化；它對有機(jī)材料的腐蝕作用還會產(chǎn)生可凝聚的氣體生成物，進(jìn)而污染衛(wèi)星上的光學(xué)儀器及其它設(shè)備。近二十幾年來，國外許多學(xué)者通過航天飛機(jī)或不載人航天器將材料直接暴露在宇宙空間環(huán)境中，評定低地球軌道原子氧對各種材料體系的影響；并結(jié)合地面模擬實(shí)驗(yàn)對其機(jī)理進(jìn)行了較為廣泛的研究_7 J。結(jié)果表明，廣泛應(yīng)用于航天器的有機(jī)材料(環(huán)氧樹脂、聚氨脂、聚酰胺、聚酰亞胺等)均受到原子氧腐蝕_8 J。顯微分析發(fā)現(xiàn)，材料表面由于出現(xiàn)溝、槽、斑點(diǎn)等缺陷而變得粗糙_9_，并且生成揮發(fā)性的氧化物，使材料變得更加疏松，加速了原子氧穿過的速度，使表面被逐漸剝蝕。聚合物基復(fù)合材料經(jīng)過原子氧腐蝕之后，表層樹脂被侵蝕掉，將石墨纖維裸露在表面；大劑量的原子氧腐蝕可使復(fù)合材料外層的纖維與基體脫開，纖維被嚴(yán)重腐蝕，甚至斷裂，降低了力學(xué)性能【10J。當(dāng)材料表面的保護(hù)涂層有小孑L等缺陷時(shí)，下面的有機(jī)材料將受到原子氧的“挖空”作用，剝蝕出面積遠(yuǎn)大于小孔的深洞。關(guān)于無機(jī)材料的研究較少，有限的文獻(xiàn)表明，它們具有較低的原子氧腐蝕率【n， ；其中，碳、銀、鋨被迅速腐蝕而產(chǎn)生宏觀變化；原子氧與碳反應(yīng)形成揮發(fā)性氧化物，和銀相互作用生成不粘合的氧化物層，造成表面剝蝕，與鋨作用形成高蒸氣壓的Os ，產(chǎn)生質(zhì)量損失。其它金屬則具有相對較低的原子氧反應(yīng)率。 氧化的生成產(chǎn)物Al 與原子氧的反應(yīng)率很低，因此鋁箔是目前所應(yīng)用的表面防護(hù)材料之一。目前，美國、加拿大、法國等國家已對有機(jī)材料與原子氧的反應(yīng)機(jī)理以及影響因素進(jìn)行了一系列的基礎(chǔ)性研究工作，建立了一些較為簡單的模型【13 J。Liang等人【14,15J研究發(fā)現(xiàn)，材料在低地球軌道中與原子氧的作用主要是氧化反應(yīng)，而不是通過原子氧的沖刷或?yàn)R射。聚合物與原子氧的反應(yīng)過程可分為兩步，即原子氧擴(kuò)散進(jìn)聚合物表面、反應(yīng)并產(chǎn)生低分子量氣體產(chǎn)物 。k 等人【8,13 J的研究結(jié)果表明，有機(jī)材料的反應(yīng)效率在很大程度上取決于添加物，而并非材料本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)，原子氧的平動能大小也是一個(gè)重要因素。此外，許多學(xué)者也對試樣溫度、原子氧入射角、紫外線、材料成分和結(jié)構(gòu)、材料表面形貌與缺陷等因素的影響進(jìn)行了研究【 ；但原子氧與各材料體系反應(yīng)的機(jī)理及解釋模型仍有待于更進(jìn)一步的發(fā)展。22 熱循環(huán)航天器在低地球軌道運(yùn)行期間反復(fù)進(jìn)出地球陰影，環(huán)境溫度交替變化。溫度變化范圍隨軌道高度、季節(jié)和隔熱措施的不同而有較大差別，一般在一160 +120 范圍內(nèi)變化【20 J。軌道周期約為90min，工作壽命為30年的航天器將承受17 500次左右的熱循環(huán)。長期的熱循環(huán)作用會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱應(yīng)力，使材料發(fā)生疲勞。對于廣泛應(yīng)用于航天器上的復(fù)合材料，由于增強(qiáng)物(尤其是長纖維)與基體之間存在線膨脹系數(shù)差，或是不同取向的鋪層間的線膨脹系數(shù)失配，都能造成熱應(yīng)力；熱應(yīng)力值隨著使用溫度和溫度差值的增加而增大2 ， 。當(dāng)熱應(yīng)力足夠大時(shí)，基體中便會產(chǎn)生微裂紋。PetersE23 J的研究表明，裂紋的形成過程受纖維體積比、纖維分布、界面性質(zhì)、鄰近鋪層等因素的影響。地面模擬實(shí)驗(yàn)l3 J發(fā)現(xiàn)，用作空間站桁架結(jié)構(gòu)的石墨環(huán)氧樹脂復(fù)合材料管在模擬熱循環(huán)條件下，在樹脂中產(chǎn)生了微裂紋。LDEF反饋的信息【 J表明，石墨鋁復(fù)合材料在經(jīng)過33 000次熱循環(huán)后發(fā)現(xiàn)鋁基體中產(chǎn)生了塑性變形；同時(shí)試樣的表面涂層上出現(xiàn)了大量的熱疲勞裂紋。溫度交變會進(jìn)一步促進(jìn)微裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致材料的熱性能和機(jī)械性能明顯下降 2。吳運(yùn)學(xué)等【25通過模擬低軌道空間的溫度變化，對金屬基復(fù)合材料進(jìn)行了研究。循環(huán)制度為每個(gè)循環(huán)從一122oC +122oC約60 min，高溫和低溫各保溫約8 min。結(jié)果表明，在此制度下循環(huán)100次，SiC。LY12板材、管材都沒有明顯損傷；正交的SiCfA1板材有一定損傷，但性能變化不大；45。的SiCfAI板也有一定損傷，且性能下降明顯。宇航材料工藝2003年第1期低地球軌道中的熱循環(huán)還會使材料發(fā)生熱變形。溫度變化范圍越大，結(jié)構(gòu)的變形越嚴(yán)重【26J，可影響航天器各部件的正常工作。Zimcik等人【27 J指出，空間溫度交變造成的材料變形與線膨脹系數(shù)大小和熱導(dǎo)率均有關(guān)。大的熱變形可使人造衛(wèi)星上的太陽電池陣結(jié)構(gòu)在軌道中展開困難，并可影響大型拋物面天線結(jié)構(gòu)的尺寸精度。23 空間輻射材料在低地球軌道空間環(huán)境中主要受到紫外光輻射和帶電粒子(質(zhì)子和中子)輻射的作用。在高度為4OO km一600 km的軌道中運(yùn)行的航天器，一般經(jīng)受的帶電粒子輻射年吸收劑量為103 Gv，其粒子能量為1 Mev 2 MeV28 J。紫外線來自太陽的電磁輻射，波長范圍在100 nrll一150 nln之間，通量為4 X10cm2s提供的能量約占太陽總輻射能量的873 m 3。高能帶電粒子通過兩種方式損傷航天器表面材料，即電離作用和通過高能帶電粒子轟擊產(chǎn)生的原子位移作用【29 J。軌道的高度越大，帶電粒子的吸收劑量增加越迅速。Bowles等人l30,31研究發(fā)現(xiàn)，較大劑量的帶電粒子輻射會使石墨的機(jī)械性能增加、熱導(dǎo)率略有降低、尺寸穩(wěn)定性變化(發(fā)生各向異性膨脹)；而聚合物則發(fā)生交聯(lián)和斷鏈，使材料呈現(xiàn)脆性。Mauri等人l32 J指出，空間粒子輻射改變有機(jī)材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性與機(jī)械性能。張建可等【J模擬空間環(huán)境，對石墨環(huán)氧648復(fù)合材料進(jìn)行了劑量為103 Gy的粒子輻照；結(jié)果表明，復(fù)合材料的脆性、硬度增加，拉伸強(qiáng)度和層問剪切強(qiáng)度有所降低。在低地球軌道，太陽紫外輻射對材料具有更大的損傷作用。波長在3OO nri1以下的紫外光子的能量高于3766 kJtool，而有機(jī)聚合物分子的結(jié)合鍵能一般在250 kJmol一418 1(JIn0ll34 ；因此足以造成某些有機(jī)化學(xué)鍵的斷裂。其破壞結(jié)果是使材料變脆，產(chǎn)生表面裂紋、皺縮等，使機(jī)械性能下降。飛行試驗(yàn)【 ， J表明，紫外輻照還使聚合物基體嚴(yán)重變色，影響了光學(xué)性能。在某些情況下，紫外輻射的存在可進(jìn)一步加劇原子氧對材料的侵蝕，使材料的質(zhì)量損失顯著增加l36 J(表2)。金屬材料和大部分無機(jī)非金屬材料(陶瓷、離子鹽、礦物等)的輻照穩(wěn)定性優(yōu)于有機(jī)材料。一3 一維普資訊 表2 部分材料的耐輻射閾值別Tab2 Rsarllution threshold value of selected materials材料 允許輻照劑量Gy24 微流星與空間碎片微流星和空間碎片也是低地球軌道航天器飛行中一個(gè)不可忽視的重要影響因素。在已回收的衛(wèi)星上發(fā)現(xiàn)，由于空間碎片的碰撞，衛(wèi)星表面已嵌入直徑為幾毫米的殘片，并留有許多微流星的撞擊痕跡2,24。目前在太空中約有3 000 t的空間碎片，它們主要由運(yùn)載火箭、廢棄的航天器和因衛(wèi)星老化而分離出的碎片組成。空間碎片以每年10 的速度遞增，加上數(shù)以萬計(jì)的微流星體，它們與航天器有較高的碰撞概率。微流星和空間碎片對材料的高速撞擊可產(chǎn)生大的洼坑，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形；當(dāng)速度足夠高時(shí)，還使材料發(fā)生相變。在低地球軌道上運(yùn)動的空間碎片速度約為8 kms，微流星體運(yùn)動速度則高達(dá)約20 kinS。在如此高的速度下，直徑為1 cm 的空間碎片可擊穿5 cm厚的鋁合金板。微流星空間碎片撞擊的累計(jì)效應(yīng)將導(dǎo)致?lián)p傷傳播，可引起材料的穿透、撕裂或嚴(yán)重層裂37,38。8erthoud等人39研究了微流星空間碎片對各種材料的撞擊損傷，發(fā)現(xiàn)當(dāng)碰撞能足夠大時(shí)，鋁、銅等塑性材料發(fā)生屈服及流動；玻璃、陶瓷等脆性材料由于開裂而受到大面積損傷；聚合物的破壞面積比金屬更大，由紫外輻射造成的材料脆化加深了破壞程度。25 高真空低地球軌道航天器是運(yùn)行在高真空的環(huán)境下的，其真空度大約為13310一 Pa。高真空度導(dǎo)致- 4 -有機(jī)材料的放氣，其產(chǎn)物包括水、吸附性氣體、溶劑、低分子量添加劑以及分解產(chǎn)物等?？赡龘]發(fā)性產(chǎn)物在光學(xué)觀察系統(tǒng)或是電路表面上重新沉積會嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)的性能，甚至引起電路失靈l40J。同時(shí)，有機(jī)材料的放氣還會引起材料性能的下降，材料尺寸發(fā)生變化，因此會對航天器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成威脅。NASA要求低軌道航天器材料的總體質(zhì)量損失1 ok，而可收集的揮發(fā)性凝聚物應(yīng)01ok J。在低軌道環(huán)境下有機(jī)材料的質(zhì)量損失是蒸發(fā)、升華、分解、降解等各種過程的綜合效應(yīng)引起的，根據(jù)材料的不同而有所差異。研究表明，由于熱塑性樹脂成型時(shí)無固化反應(yīng)存在，不產(chǎn)生低分子揮發(fā)物，因此CaPEEK復(fù)合材料的質(zhì)量損失002ok，吸濕率01ok，具有較高的抗真空性能；而一般碳環(huán)氧的真空質(zhì)量損失約為035 09 ，超過熱塑性樹脂的十倍以上，而吸濕率高于02l 。Apono飛船的繞地飛行實(shí)驗(yàn)表明，在高真空環(huán)境下，由于航天器密封材料的硅橡膠中的揮發(fā)組分迅速揮發(fā)，從而老化、龜裂，成為影響了密封艙工作環(huán)境安全的巨大隱患l 。金屬和陶瓷等無機(jī)材料在高真空環(huán)境下的放氣和蒸發(fā)是微不足道的，因此高真空對其組織和性能的影響不大；但是高真空環(huán)境可使兩種金屬的表面粘合在一起，產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象；所以高真空度是選擇低軌道航天器材料時(shí)不可忽視的重要因素。3 研究動向31 地面模擬試驗(yàn)研制高性能的地面模擬設(shè)備，研究原子氧、空間輻射對材料的作用機(jī)理；對材料進(jìn)行加速暴露試驗(yàn)，獲取原子氧與材料相互作用的數(shù)據(jù)；研究空間材料，特別是復(fù)合材料在熱循環(huán)條件下的行為；模擬低地球軌道環(huán)境，探討各因素的協(xié)同作用對材料的綜合影響。32 低軌道航天器用材料的研制改善聚合物的空間環(huán)境適應(yīng)性，開發(fā)新型熱塑性樹脂基復(fù)合材料；尋找質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的增強(qiáng)物，開發(fā)更為簡便的金屬基復(fù)合材料制備工藝，降低材料成本，廣泛探索鋁、鎂等輕金屬基復(fù)合材料(尤其是顆粒增強(qiáng)型)作為空間結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。33 新型防護(hù)涂層材料的研制開發(fā)質(zhì)輕、價(jià)廉、能與基底結(jié)合牢固的新型涂宇航材料工藝20O3年第1期維普資訊 http: