[科普中國]-航天器表面材料

鎳基耐熱合金

隨著科學技術的高速發(fā)展，對高溫合金提出越來越高的要求，為了滿足航天器表面材料的性能要求，發(fā)展了鎳基耐熱合金等高溫合金材料。鎳基高溫合金的含鎳量超過50%，其合金化特點與金屬間化合物強化相的鐵基合金非常類似。

鎳基合金的熱處理采取固溶一時效處理，得到的組織是含有固溶強化元素Mo及W的Ni-Cr或Ni4-Cr-Co固溶體加金屬間化合物的折出相。

鎳基合金的熱強性很高，其鍛軋加工相當困難，而且鑄態(tài)的使用性能比鍛態(tài)還好，特別是鑄態(tài)合金可以加入更多的產生強化相的元素（如Ti、Al），而無需擔心熱加工的困難。因此，高溫工作的鎳基合金大多采用鑄造生產。如果采用特殊的結晶技術，控制晶粒的形狀、取向和尺寸（例如利用定向結晶技術），則鎳基合金熱強性可進一步提高。目前工作溫度高的鎳基合金就是采用控制結晶技術來鑄造的。1

空間環(huán)境對航天器表面材料的影響機構損傷造成航天器表面機械損傷的是天然的流星體和人為的空間碎片。流星體相對于航天器的平均速度為20km/s，空間碎片的相對速度為11km/s左右，如此高的速度使它們具有極高的能量，每1g流星體平均具有的能量為2×105J，空間碎片具有6×104J。在它們與航天器相撞的瞬間形成壓力很高的沖擊波，其壓力超過表面材料的強度，使撞擊點附近的物質像流體一樣流動；隨后的壓力釋放過程又使撞擊的和被撞擊的物質加熱，溫度升高到足以使物質熔化和蒸發(fā)。其結果是在航天器表面留下撞擊坑或形成穿孔。

流星體的數(shù)量隨其質量的增加而迅速減少，大的流星體會造成災難性后果，但碰撞概率比較低；小的流星體（常稱為微流星體）碰撞概率很高，它們的單次碰撞雖然只會形成很小的撞擊坑，不會造成嚴重的后果。小流星體因為其數(shù)量很大，大量的小撞擊坑會改變航天器表面材料的性質，稱為“沙蝕”，特別是光學系統(tǒng)的表面（如透鏡、反射鏡面等）會因此而無法成像；有特殊要求的溫控涂層也會因輻射特性改變而不能實現(xiàn)設計的要求。

化學損傷對航天器表面的化學損傷主要來自高層大氣中的氧原子。氧原子是一種強氧化劑，具有很強的腐蝕作用，航天器高速度在其中運動，相當于將航天器浸泡于高溫的氧原子氣體中（60000K），其表面將被強烈腐蝕，對需要長期在低軌道上運行和工作的航天器，例如空間站，這種腐蝕效應是十分嚴重的。高速氧原子和表面材料相互作用的物理化學過程是很復雜和多樣的，不同的航天器表面材料該過程也很不一樣。它和聚合物、碳等作用形成揮發(fā)性的氧化物；和銀相互作用生成不粘合的氧化物，造成表面被逐漸剝蝕；和鋁、硅等材料相互作用形成粘合的氧化物，附著在航天器表面，將改變航天器表面的光學特性（發(fā)射系數(shù)、吸收系數(shù)、反射系數(shù)等）和力學特性。2