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(上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室，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；從地面模擬實驗、材料研制與防護涂層的開發(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。關鍵詞低地球軌道環(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注。近二十幾年來，人們利用飛行試驗和地面模擬實驗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行了69個月的“長期暴露裝置”(LDEF)，對多種航天器侯選材料進行了低軌道環(huán)境效應的研究，結果表明【卜3j：低地球軌道中的原子氧對材料表面的腐蝕可導致材料性能的退化，空間輻射使有機材料性能劣化，熱循環(huán)造成材料尺寸的不穩(wěn)定和機械性能下降，微流星體和空間碎片的撞擊造成材料機械損傷甚至破壞，而超高真空則會導致有機材料分解蛻變、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，產生許多意想不到的結果。隨著開發(fā)利用空間資源的日益增長，對航天器的設計壽命(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，使得關于空間環(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，開發(fā)滿足航天器性能要求且對空間環(huán)境有較好的適應性和耐久性的材料已成為一個熱點課題。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。但當航天器以8 klns左右繞道飛行時，原子氧撞擊的束流密度可達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鍵斷裂并發(fā)生氧化；又由于原子氧本身是一種強氧化劑，因此造成材料質量損失、表面剝蝕和性能退化；它對有機材料的腐蝕作用還會產生可凝聚的氣體生成物，進而污染衛(wèi)星上的光學儀器及其它設備。近二十幾年來，國外許多學者通過航天飛機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；并結合地面模擬實驗對其機理進行了較為廣泛的研究_7 J。結果表明，廣泛應用于航天器的有機材料(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，材料表面由于出現溝、槽、斑點等缺陷而變得粗糙_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。聚合物基復合材料經過原子氧腐蝕之后，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合材料外層的纖維與基體脫開，纖維被嚴重腐蝕，甚至斷裂，降低了力學性能【10J。當材料表面的保護涂層有小孑L等缺陷時，下面的有機材料將受到原子氧的“挖空”作用，剝蝕出面積遠大于小孔的深洞。關于無機材料的研究較少，有限的文獻表明，它們具有較低的原子氧腐蝕率【n， ；其中，碳、銀、鋨被迅速腐蝕而產生宏觀變化；原子氧與碳反應形成揮發(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 ，產生質量損失。其它金屬則具有相對較低的原子氧反應率。 氧化的生成產物Al 與原子氧的反應率很低，因此鋁箔是目前所應用的表面防護材料之一。目前，美國、加拿大、法國等國家已對有機材料與原子氧的反應機理以及影響因素進行了一系列的基礎性研究工作，建立了一些較為簡單的模型【13 J。Liang等人【14,15J研究發(fā)現，材料在低地球軌道中與原子氧的作用主要是氧化反應，而不是通過原子氧的沖刷或濺射。聚合物與原子氧的反應過程可分為兩步，即原子氧擴散進聚合物表面、反應并產生低分子量氣體產物 。k 等人【8,13 J的研究結果表明，有機材料的反應效率在很大程度上取決于添加物，而并非材料本身的化學結構，原子氧的平動能大小也是一個重要因素。此外，許多學者也對試樣溫度、原子氧入射角、紫外線、材料成分和結構、材料表面形貌與缺陷等因素的影響進行了研究【 ；但原子氧與各材料體系反應的機理及解釋模型仍有待于更進一步的發(fā)展。22 熱循環(huán)航天器在低地球軌道運行期間反復進出地球陰影，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)作用會在結構中產生熱應力，使材料發(fā)生疲勞。對于廣泛應用于航天器上的復合材料，由于增強物(尤其是長纖維)與基體之間存在線膨脹系數差，或是不同取向的鋪層間的線膨脹系數失配，都能造成熱應力；熱應力值隨著使用溫度和溫度差值的增加而增大2 ， 。當熱應力足夠大時，基體中便會產生微裂紋。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、鄰近鋪層等因素的影響。地面模擬實驗l3 J發(fā)現，用作空間站桁架結構的石墨環(huán)氧樹脂復合材料管在模擬熱循環(huán)條件下，在樹脂中產生了微裂紋。LDEF反饋的信息【 J表明，石墨鋁復合材料在經過33 000次熱循環(huán)后發(fā)現鋁基體中產生了塑性變形；同時試樣的表面涂層上出現了大量的熱疲勞裂紋。溫度交變會進一步促進微裂紋的擴展，導致材料的熱性能和機械性能明顯下降 2。吳運學等【25通過模擬低軌道空間的溫度變化，對金屬基復合材料進行了研究。循環(huán)制度為每個循環(huán)從一122oC +122oC約60 min，高溫和低溫各保溫約8 min。結果表明，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，結構的變形越嚴重【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大小和熱導率均有關。大的熱變形可使人造衛(wèi)星上的太陽電池陣結構在軌道中展開困難，并可影響大型拋物面天線結構的尺寸精度。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(質子和中子)輻射的作用。在高度為4OO km一600 km的軌道中運行的航天器，一般經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，較大劑量的帶電粒子輻射會使石墨的機械性能增加、熱導率略有降低、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，使材料呈現脆性。Mauri等人l32 J指出，空間粒子輻射改變有機材料和纖維增強復合材料的尺寸穩(wěn)定性與機械性能。張建可等【J模擬空間環(huán)境，對石墨環(huán)氧648復合材料進行了劑量為103 Gy的粒子輻照；結果表明，復合材料的脆性、硬度增加，拉伸強度和層問剪切強度有所降低。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，而有機聚合物分子的結合鍵能一般在250 kJmol一418 1(JIn0ll34 ；因此足以造成某些有機化學鍵的斷裂。其破壞結果是使材料變脆，產生表面裂紋、皺縮等，使機械性能下降。飛行試驗【 ， J表明，紫外輻照還使聚合物基體嚴重變色，影響了光學性能。在某些情況下，紫外輻射的存在可進一步加劇原子氧對材料的侵蝕，使材料的質量損失顯著增加l36 J(表2)。金屬材料和大部分無機非金屬材料(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不可忽視的重要影響因素。在已回收的衛(wèi)星上發(fā)現，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?？臻g碎片以每年10 的速度遞增，加上數以萬計的微流星體，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生大的洼坑，導致結構嚴重變形；當速度足夠高時，還使材料發(fā)生相變。在低地球軌道上運動的空間碎片速度約為8 kms，微流星體運動速度則高達約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效應將導致?lián)p傷傳播，可引起材料的穿透、撕裂或嚴重層裂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)現當碰撞能足夠大時，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。高真空度導致- 4 -有機材料的放氣，其產物包括水、吸附性氣體、溶劑、低分子量添加劑以及分解產物等?？赡龘]發(fā)性產物在光學觀察系統(tǒng)或是電路表面上重新沉積會嚴重影響光學系統(tǒng)的性能，甚至引起電路失靈l40J。同時，有機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，因此會對航天器結構的穩(wěn)定性造成威脅。NASA要求低軌道航天器材料的總體質量損失1 ok，而可收集的揮發(fā)性凝聚物應01ok J。在低軌道環(huán)境下有機材料的質量損失是蒸發(fā)、升華、分解、降解等各種過程的綜合效應引起的，根據材料的不同而有所差異。研究表明，由于熱塑性樹脂成型時無固化反應存在，不產生低分子揮發(fā)物，因此CaPEEK復合材料的質量損失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飛船的繞地飛行實驗表明，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，產生冷焊現象；所以高真空度是選擇低軌道航天器材料時不可忽視的重要因素。3 研究動向31 地面模擬試驗研制高性能的地面模擬設備，研究原子氧、空間輻射對材料的作用機理；對材料進行加速暴露試驗，獲取原子氧與材料相互作用的數據；研究空間材料，特別是復合材料在熱循環(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)境適應性，開發(fā)新型熱塑性樹脂基復合材料；尋找質優(yōu)價廉的增強物，開發(fā)更為簡便的金屬基復合材料制備工藝，降低材料成本，廣泛探索鋁、鎂等輕金屬基復合材料(尤其是顆粒增強型)作為空間結構材料的應用。33 新型防護涂層材料的研制開發(fā)質輕、價廉、能與基底結合牢固的新型涂宇航材料工藝20O3年第1期維普資訊 http: