真空环境效应及材料损伤应对措施

一、真空环境

      在轨环境包括处于运行状态的航天器所遭受的人工和自然环境，例如电磁辐射、中性大气、带电粒子辐射、真空以及冷黑环境。空间环境对材料的作用主要表现为高真空（1.33×10-10 Pa）和宇宙射线辐照的影响。

      航天器在发射及在轨运行过程中，航天器会遭受到低真空环境、高真空环境和超高真空环境交替的影响。空间真空环境是指在给定空间内低于一个大气压力的气体状态，也就是该空间内气体分子密度低于该地区一个大气压力的分子密度。

二、真空环境效应

       当航天器进入到真空环境后，其内部结构及航天材料将受真空的影响，诱导产生一系列效应，如压力差效应、出气效应、黏着和冷焊效应、真空放电效应、真空出气效应、材料蒸发升华和分解效应、粘着和冷焊效应等，造成航天器结构变形或损坏，甚至波及到航天材料的力学、电学以及光学性能等[1-2]。此外，真空环境还可带动其他环境效应对航天材料造成影响，甚至损伤，如空间粒子辐射与电磁辐射效应、原子氧效应、空间碎片撞击效应以及微重力效应等[3]。据统计，约50%的重大故障与由压力差效应产生的真空环境泄漏有关。例如1971年，苏联“联盟”11号飞船的3名航天员返回地面时，因返回舱真空室漏气均窒息死亡。据统计，因真空环境下泄漏，全世界至少有20枚火箭发生爆炸。

       真空出气效应会对航天器产生巨大影响，造成污染。在空间真空环境下的蒸发、升华和分解都会造成材料组分的变化，引起材料质量损失（简称“质损”），当质损在1%~2%时，材料的宏观形状无大变化；而当质量损伤达10%时，材料性质会发生明显变化。因此，一般将每年质损低于10%作为航天器材料的标准。

三、在真空环境下的材料损伤

       金属和陶瓷

       金属和陶瓷在高真空环境下的放气和蒸发是微不足道的，对其组织和性能的影响不大。金属材料在高真空下互相接触时，由于表面被高真空环境所净化而加速了分子扩散过程，但是高真空环境可使两种金属的表面粘合在一起，出现“冷焊”现象。

       因此，在选用材料时，应选择不易发生冷焊的配偶材料，或在接触表面涂覆固体润滑剂或补充液体润滑剂，涂覆不易发生冷焊的材料膜层。

       有机材料

       有机材料在高真空环境下能够引发放气行为和质量损伤等失效行为，会引起其材料性能和尺寸变化，进而威胁到航天器结构的稳定性。有机材料的质量损失主要是由其自身所含的湿气，制备过程中残留的少量有机溶剂，以及由于辐照降解产生的小分子裂片，在高真空环境作用下从材料表面逸出等各种过程的综合效应引起的。

       另外，放气产物可能凝结在航天器的冷表面上，对航天器敏感表面造成污染，还有可能凝集在航天器的其它光学或电学部件表面沉积而造成污染，严重影响到光学系统的性能甚至导致电路失灵。与此同时，材料在空间减少的质量逸出到真空环境中，也还会改变真空环境的状态，包括压力、密度和粒子飞行方向。

       质损率与材料的性能有密切关联，因此是鉴定材料空间性能的重要指标之一。高真空环境不仅直接造成材料性能的退化，还会加速其它环境因素对材料性能的损伤，因此是选择航天器材料时不容忽视的重要空间环境因素之一。

       Apollo飞船的绕地飞行实验表明，由于航天器密封材料硅橡胶中的可挥发组分在高真空环境下迅速挥发，使材料发生硬化脆化和龟裂，进而对密封舱工作环境的安全性造成巨大隐患[4]。

四、航空航天新材料在真空环境下的应用

       石墨烯

       石墨烯的结构非常稳定，在极端环境下具有良好的稳定性，适合用作航空航天领域的高真空环境下应用。例如，石墨烯则是重要的固体润滑剂石墨的基本组成单元，具有优异的层间滑动摩擦性和表面滑动摩擦性，因此在高真空、原子氧、紫外辐照综合空间环境下，石墨烯复合空间润滑材料依然表现出优异的摩擦磨损性能[5]。

       我们的服务

      在北京航空航天新材料技术成果对接会上，我们了解到在航空航天领域对适用真空环境的高性能材料的应用需求。

      针对需求方提出关于空间真空环境的应用背景和材料的指标要求，借助北京市航空航天新材料集群资源优势，我们充分发挥创新资源，利用专家库和成果库，精准挖掘高校、科研院所现有的科研技术成果。

      未来，我们将组织与需求方向相契合的科研团队，与需求方进行深入沟通与对接，通过“产学研”协同创新，共同解决在空间真空使用环境下的高性能材料的应用问题，并且深度探讨双方合作与发展模式。

参考：

1、 沈自才 姜海富等. 航天材料空间环境效应损伤机制及关联性研究[J]. 宇航材料工艺. 2016 .2: 1-8.

2、林海奇. 创新研修报告, 真空效应及其在生活中的应用[R], 哈尔滨工业大学.

3、张帷, 王茂川等. 航天材料空间环境效应损伤机制研究[J]. 中国金属通报. 2018. 8: 232-233.

4、Tennyson RC, Matthews R. Thermal-vacuum response of polymer matrix composites in space[J]. Journal of Spacecraft and Rockets. 1995. 32:703-709.

5、刘宇, 刘勇等. 石墨烯在航天领域应用进展[J]. 宇航材料工艺. 2017. 4.