說到腐蝕

大家可能并不陌生，因?yàn)樵谖覀兩钪?，它每時(shí)每刻都在發(fā)生。例如廚房鐵鍋的生銹，碳酸飲料對牙齒的腐蝕，街道護(hù)欄的風(fēng)化開裂等等。 看到“太空腐蝕”，你是不是會很詫異——太空既然是高真空環(huán)境、沒有水的存在，航天器應(yīng)該不會像地球上那樣腐蝕吧？

但事實(shí)卻是，太空的腐蝕性遠(yuǎn)大于地球！

比如作為美俄國際空間站合作計(jì)劃一部分的“和平號”空間站，實(shí)際在軌工作的十多年時(shí)間里，共發(fā)生近2000處故障，其中70%的外體遭到腐蝕。

前蘇聯(lián)研制的和平號空間站。圖片來源：新華網(wǎng)

說到這里你可能要問了，究竟是什么原因造成太空中航天材料的腐蝕失效呢？

太空除了浩瀚壯觀之外，到處都存在著人類肉眼所看不見的宇宙輻射。它既包括宇宙大爆炸后所殘留的熱輻射，同時(shí)也包括其他天體向外釋放的電磁波、高能粒子甚至是宇宙射線。 

這些宇宙輻射對人體是致命的，我們在地球之所以能正常生活，是因?yàn)榈厍虼艌雠c大氣層對宇宙輻射的偏折和吸收作用。 

因而出了地球，人類必須穿宇航服，宇航服的造價(jià)是極其昂貴的。如2003年神舟五號的艙內(nèi)宇航服需要20萬，而艙外宇航服需要大約2億人民幣，還只能用5次！

當(dāng)然，面對太空中如此高強(qiáng)度的輻射，航天器也會“深受其害”。主要包括兩方面：

一是太陽所釋放的紫外線輻射是引起航天器腐蝕失效的原因之一。盡管紫外線只占太陽光的5%左右，但是能量卻很大。太空中，由于缺少地球磁場及大氣層的“保護(hù)屏障”，航天器表面的高分子材料在吸收紫外線后會引發(fā)聚合物的自我氧化、降解。另外，紫外線中的單個(gè)光子所具有的能量足以破壞聚合物間的化學(xué)鍵，使其斷裂、交聯(lián)，從而導(dǎo)致聚合物材料性能的急劇下降。因此，為了盡可能的削弱宇宙輻射對航天器的影響，人類航天任務(wù)的發(fā)射甚至?xí)桃獗荛_太陽耀斑活動頻繁的時(shí)間周期。

二是當(dāng)航天器剛剛脫離地球表面大氣層的保護(hù)，首先接觸的便是低地球軌道環(huán)境（距離地球200~700km），該區(qū)域所處的殘余大氣中，氧含量約占總組分的80%。眾所周知，氧元素是造成材料腐蝕加速的重要條件。而在太陽短波輻射的光致分解作用下，氧分子轉(zhuǎn)變?yōu)楦呋钚缘脑友?，由于處于高真空及極低的氣體總壓狀態(tài)下，氧原子與其他粒子發(fā)生碰撞的幾率很小，導(dǎo)致氧原子很難再次復(fù)合成分子態(tài)。當(dāng)高速運(yùn)行的航天器與原子氧發(fā)生劇烈的摩擦、碰撞時(shí)，航天器表面的聚合物材料會發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，使其電學(xué)、光學(xué)以及力學(xué)性能等方面發(fā)生退化，甚至?xí)鹈黠@的剝蝕效應(yīng)，嚴(yán)重影響航天器的運(yùn)行安全。

通過上面的介紹我們可以發(fā)現(xiàn)，在如此復(fù)雜的太空環(huán)境中，航天器的腐蝕根本無法避免。并且，有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，一架航天飛機(jī)的維修成本甚至遠(yuǎn)高于其制作成本和發(fā)射成本。因此，采用科學(xué)的手段抑制航天器在太空中的腐蝕問題勢在必行。

首先便是選擇和發(fā)展耐熱、耐極低溫、耐熱震、抗疲勞、抗腐蝕的高性能材料，世界各國的科學(xué)家也正為此不斷的努力探索。

此外，結(jié)合不同材料的用途及其實(shí)際服役環(huán)境，采用合適的表面處理技術(shù)顯得更為重要。因?yàn)樾阅軆?yōu)異的防護(hù)涂層不僅可以提高航天材料的功能性，包括耐高溫、隔熱、抗腐蝕、抗氧化、抗輻射等，同時(shí)也可以延長航天器的使用壽命，節(jié)省維修成本。

然而，與地面裝備表面防護(hù)不同的是，由于有機(jī)涂層在真空環(huán)境中會出現(xiàn)放氣、老化脫落等一系列問題，航天材料一般不會使用有機(jī)涂層進(jìn)行防腐，而主要采用的表面技術(shù)包括化學(xué)/電化學(xué)沉積、化學(xué)/電化學(xué)氧化、無機(jī)涂層以及特種薄膜制備等等。

鎂合金，作為地球上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，擁有比強(qiáng)度高、導(dǎo)電性強(qiáng)、電磁屏蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，在航天領(lǐng)域的使用上具有先天的優(yōu)勢。為了實(shí)現(xiàn)減重的目的，我們熟知的神州、天宮、嫦娥等系列航天器中，均大量使用鎂合金。

鎂合金的其他應(yīng)用

01 國防工業(yè)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭需要軍隊(duì)具有遠(yuǎn)程快速部署運(yùn)動的能力，要求武器裝備輕量化，在手持式武器、裝甲戰(zhàn)車、運(yùn)輸車、航空制導(dǎo)武器上將大量采用輕金屬材料。

輕量化是提高武器裝備作戰(zhàn)性能的重要方向。鎂所具有的輕質(zhì)特性決定了鎂合金是生產(chǎn)航天飛行器、軍用飛機(jī)、導(dǎo)彈、高機(jī)動性能戰(zhàn)車、船舶的必不可少的結(jié)構(gòu)材料，如可做火箭頭、導(dǎo)彈點(diǎn)火頭、航天器元部件以及照明彈等。因此，大力開發(fā)鎂合金應(yīng)用范圍是國防現(xiàn)代化的需要。

02 鋼鐵工業(yè)

鎂目前主要用于冶金工業(yè)的鑄造、鋼鐵脫硫等。

隨著汽車工業(yè)、石油、天然氣管線、海洋鉆井平臺、橋梁建筑等領(lǐng)域用高強(qiáng)度低硫鋼的需求不斷增加，近幾年，我國鞍鋼、寶鋼、武鋼、本鋼、包鋼、攀鋼、首鋼等鋼鐵企業(yè)已經(jīng)用鎂粉深脫硫，獲得優(yōu)質(zhì)鋼，取得良好效果。鎂粉用于鋼鐵脫硫，具有巨大的潛在市場。

03 汽車工業(yè)

鎂是最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料之一，又具有比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性強(qiáng)和切削性好、易于回收等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外將鎂合金應(yīng)用于汽車行業(yè)，以減重、節(jié)能、降低污染，改善環(huán)境。

目前，全球鎂合金消費(fèi)量最大的是汽車行業(yè)，為減輕汽車總重，鎂合金壓鑄件在汽車上的使用愈來愈多，包括儀表盤、方向盤、變箱、油底、氣缸罩、座椅架及輪轂等多個(gè)關(guān)鍵零部件。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，2003年美國平均每輛汽車鎂合金的使用量已達(dá)60千克左右，美國汽車材料協(xié)會（USAMP）預(yù)計(jì)到2020年北美生產(chǎn)的每輛汽車鎂合金用量將達(dá)到約160千克。目前，中國鎂合金在汽車工業(yè)的使用情況仍處于起步階段。發(fā)達(dá)國家汽車百公里耗油最終將實(shí)現(xiàn)3升的目標(biāo)，歐洲汽車用鎂占鎂總消耗量的14%，預(yù)計(jì)今后將以15%～20%的速度遞增。數(shù)據(jù)顯示，全球鎂合金在汽車壓鑄件方面的增長率連續(xù)多年保持在15％的水平，是當(dāng)前及未來新的產(chǎn)業(yè)亮點(diǎn)。

我國東風(fēng)、長安等汽車已開始用鎂合金，不久以后重慶、成都等地將成為我國汽車用鎂合金研究與開發(fā)應(yīng)用的生產(chǎn)基地。因此，全面推動汽車使用鎂合金制品將成為來新材料產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。

04 其他應(yīng)用

鎂的輕質(zhì)及其作為犧牲陽極可以有效防止金屬腐蝕等特性，使其廣泛用在地下鐵制管道、石油管道、儲罐、海上設(shè)施、民用等。

此外，鎂粉還用于制造化工產(chǎn)品、藥煙火、信號照明彈、金屬還原劑、油漆涂料、焊絲以及供球墨鑄鐵用的球化劑等。

鎂易燃，所以可用作照明彈，其原理是照明彈中裝有鎂鋁和硝酸鈉、硝酸鋇等物質(zhì)。引爆后，鎂在空氣中迅速燃燒，放出含紫外線的耀眼白光，同時(shí)放出熱量使硝酸鹽分解。

與塑料相比，鎂合金具有重量輕、比強(qiáng)度高、減振性好、熱疲勞性能好、不易老化，又有良好的導(dǎo)熱性、電磁屏蔽能力強(qiáng)、非常好的壓鑄工藝性能，尤其易于回收等優(yōu)點(diǎn)，是替代鋼鐵、鋁合金和工程塑料的新一代高性能結(jié)構(gòu)材料。

為適應(yīng)電子、通訊器件高度集成化和輕薄小型化的發(fā)展趨勢，鎂合金是交通、電子信息、通訊、計(jì)算機(jī)、聲像器材、手提工具、電機(jī)、林業(yè)、紡織、核動力裝置等產(chǎn)品外殼的理想材料。

發(fā)達(dá)國家非常重視鎂合金的開發(fā)與應(yīng)用，尤其在汽車零部件、筆記本電腦等便攜電子產(chǎn)品的應(yīng)用，每年以20%的速度增長，非常引人注目，發(fā)展速度驚人。

我國青島作為家電城，先后投資2.1~3.5億人民幣生產(chǎn)制造手機(jī)外殼、數(shù)碼相機(jī)、手提電腦、掌上電腦外殼，高級視聽器材外殼等產(chǎn)品，年產(chǎn)1600萬件鑄件產(chǎn)品，成為第一個(gè)鎂合金開發(fā)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化基地。

鎂合金型材、管材還用于制作自行車架、輪椅、康復(fù)和醫(yī)療器械等。

鎂合金的新進(jìn)展

01 耐熱鎂合金

耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛應(yīng)用的主要原因之一，當(dāng)溫度升高時(shí)，它的強(qiáng)度和抗蠕變性能大幅度下降，使它難以作為關(guān)鍵零件（如發(fā)動機(jī)零件）材料在汽車等工業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。己開發(fā)的耐熱鎂合金中所采用的合金元素主要有稀土元素（RE）和硅（Si）。稀土是用來提高鎂合金耐熱性能的重要元素。含稀土的鎂合金QE22和WE54具有與鋁合金相當(dāng)?shù)母邷貜?qiáng)度，但是稀土合金的高成本是其被廣泛應(yīng)用的一大阻礙。

02 耐蝕鎂合金

鎂合金的耐蝕性問題可通過兩個(gè)方面來解決：

①嚴(yán)格限制鎂合金中的Fe、Cu、Ni 等雜質(zhì)元素的含量。例如，高純AZ91HP鎂合金在鹽霧試驗(yàn)中的耐蝕性大約是AZ91C的100倍，超過了壓鑄鋁合金A380，比低碳鋼還好得多。

②對鎂合金進(jìn)行表面處理。根據(jù)不同的耐蝕性要求，可選擇化學(xué)表面處理、陽極氧化處理、有機(jī)物涂覆、電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂等方法處理。例如，經(jīng)化學(xué)鍍的鎂合金，其耐蝕性超過了不銹鋼。

03 阻燃鎂合金

鎂合金在熔煉澆鑄過程中容易發(fā)生劇烈的氧化燃烷。實(shí)踐證明，熔劑保護(hù)法和SF6、SO2、CO2、Ar等氣體保護(hù)法是行之有效的阻燃方法，但它們在應(yīng)用中會產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染，并使得合金性能降低，設(shè)備投資增大。純鎂中加鈣能夠大大提高鎂液的抗氧化燃燒能力，但是由于添加大量鈣會嚴(yán)重惡化鎂合金的力學(xué)性能，使這一方法無法應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。鉸可以阻止鎂合金進(jìn)一步氧化，但是鉸含量過高時(shí)，會引起晶粒粗化和增大熱裂傾向。

04 高強(qiáng)高韌鎂合金

現(xiàn)有鎂合金的常溫強(qiáng)度和塑韌性均有待進(jìn)一步提高。在Mg-Zn和Mg-Y合金中加入Ca、Zr 可顯著細(xì)化晶粒，提高其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；加人Ag和Th能夠提高M(jìn)g-RE-Zr合金的力學(xué)性能，如含Ag的QE22A合金具有高室溫拉伸性能和抗蠕變性能，已廣泛用作飛機(jī)、導(dǎo)彈的優(yōu)質(zhì)鑄件；通過快速凝固粉末冶金、高擠壓比及等通道角擠等方法，可使鎂合金的晶粒處理得很細(xì)，從而獲得高強(qiáng)度、高塑性甚至超塑性。

05 鎂合金成形技術(shù)

鎂合金成形分為變形和鑄造兩種方法，當(dāng)前主要使用鑄造成形工藝。壓鑄是應(yīng)用最廣的鎂合金成形方法。

近年來發(fā)展起來的鎂合金壓鑄新技術(shù)有真空壓鑄和充氧壓鑄，前者已成功生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車輪毅和方向盤，后者也己開始用于生產(chǎn)汽車上的鎂合金零件。