低轨道环境对材料影响

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1、·综述·低地球轨道环境对材料的影响湛永钟张国定(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海200o3o)文摘综述了原子氧、空间辐射、热循环、高真空、微流星和空间碎片等低地球轨道环境因素对材料性能的影响；从地面模拟实验、材料研制与防护涂层的开发等方面提出了急需解决的问题，为空间站、人造卫星等低轨道航天器用材料的选择与研制提供了依据。关键词低地球轨道环境，空间材料，原子氧，热循环1引言低地球轨道距离地面100km1000km，是对地观测卫星、气象卫星、空间站等航天器的运行区域。由于低轨道空间环境很恶劣，它

2、对航天器的影响一直为人们所关注。近二十几年来，人们利用飞行试验和地面模拟实验大量研究了低地球轨道环境对空间材料的影响。1990年，美国宇航局(N)回收了在低地球轨道中运行了69个月的“长期暴露装置”(LDEF)，对多种航天器侯选材料进行了低轨道环境效应的研究，结果表明【卜3j：低地球轨道中的原子氧对材料表面的腐蚀可导致材料性能的退化，空间辐射使有机材料性能劣化，热循环造成材料尺寸的不稳定和机械性能下降，微流星体和空间碎片的撞击造成材料机械损伤甚至破坏，而超高真空则会导致有机材料分解蜕变、放气。值得注意的是

3、，这些因素往往协同作用，加速了材料的破坏，产生许多意想不到的结果。随着开发利用空间资源的日益增长，对航天器的设计寿命(30年或更长)和可靠性提出了更高的要求，尤其是大型永久性载人空间站的建设，使得关于空间环境对材料影响的研究越来越显示出重要性和紧迫性。研究材料的低地球轨道环境效应，开发满足航天器性能要求且对空间环境有较好的适应性和耐久性的材料已成为一个热点课题。2低地球轨道环境及其对材料的作用低地球轨道空间环境很复杂，目前主要研究的是原子氧、热循环、空间辐射、高真空、微流星和空间碎片对材料的影响。2．1原

4、子氧原子氧是低地球轨道大气中的主要成分，由太阳紫外线分解氧分子而产生的，其密度并不高，且随着轨道高度、轨道倾角、太阳活动周期与季节等的不同而异。但当航天器以8kln／s左右绕道飞行时，原子氧撞击的束流密度可达10b0．atoms·cmI2·s～～100．atoms·cm一2·s一【，。在如此高的撞击速度下，原子氧的平均撞击能为5eV[6J，这一能量足以使许多材料的化学键断裂并发生氧化；又由于原子氧本身是一种强氧化剂，因此造成材料质量损失、表面剥蚀和性能退化；它对有机材料的腐蚀作用还会产生可凝聚的气体生成物

5、，进而污染卫星上的光学仪器及其它设备。近二十几年来，国外许多学者通过航天飞机或不载人航天器将材料直接暴露在宇宙空间环境中，评定低地球轨道原子氧对各种材料体系的影响；并结合地面模拟实验对其机理进行了较为广泛的研究_7J。结果表明，广泛应用于航天器的有机材料(环氧树脂、聚氨脂、聚酰胺、聚酰亚胺等)均受到原子氧腐蚀_8J。显微分析发现，材料表面由于出现沟、槽、斑点等缺陷而变得粗糙_9_，并且生成挥发性的氧化物，使材料变得更加疏松，加速了原子氧穿过的速度，使表面被逐渐剥蚀。聚合物基复合材料经过原子氧腐蚀之后，表层

6、树脂被侵蚀掉，将石墨纤维裸露在表面；大剂量的原子氧腐蚀可使复合材料外层的纤维与基体脱开，纤维被严重腐蚀，甚至断裂，降低了力学性能【10J。当材料表面的保护涂层有小孑L等缺陷时，下面的有机材料将受到原子氧的“挖空”作用，剥蚀出面积远大于小孔的深洞。关于无机材料的研究较少，有限的文献表明，它们具有较低的原子氧腐蚀率【n，；其中，碳、银、锇被迅速腐蚀而产生宏观变化；原子氧与碳反应形成挥发性氧化物，和银相互作用生成不粘合的氧化物层，造成表面剥蚀，与锇作用形成高蒸气压的Os，产生质量损失。其它金属则具有相对较低的原

7、子氧反应率。氧化的生成产物Al’与原子氧的反应率很低，因此铝箔是目前所应用的表面防护材料之一。目前，美国、加拿大、法国等国家已对有机材料与原子氧的反应机理以及影响因素进行了一系列的基础性研究工作，建立了一些较为简单的模型【13J。Liang等人【14,15J研究发现，材料在低地球轨道中与原子氧的作用主要是氧化反应，而不是通过原子氧的冲刷或溅射。聚合物与原子氧的反应过程可分为两步，即原子氧扩散进聚合物表面、反应并产生低分子量气体产物。k等人【8,13J的研究结果表明，有机材料的反应效率在很大程度上取决于添加

8、物，而并非材料本身的化学结构，原子氧的平动能大小也是一个重要因素。此外，许多学者也对试样温度、原子氧入射角、紫外线、材料成分和结构、材料表面形貌与缺陷等因素的影响进行了研究【"]；但原子氧与各材料体系反应的机理及解释模型仍有待于更进一步的发展。2．2热循环航天器在低地球轨道运行期间反复进出地球阴影，环境温度交替变化。温度变化范围随轨道高度、季节和隔热措施的不同而有较大差别，一般在一160℃+120℃范围内变化【20J。轨道周期