航天器外殼防腐蝕與防護(hù)技術(shù)

I目錄

■CONTENTS

第一部分航天器外殼腐蝕機(jī)制................................................2

第二部分外殼防護(hù)涂層材料選擇..............................................5

第三部分電化學(xué)防護(hù)技術(shù)應(yīng)用................................................7

第四部分犧牲陽極防護(hù)原理.................................................10

第五部分超疏水材料的防腐性能.............................................15

第六部分航天器外殼熱防護(hù)措施.............................................18

第七部分航天器外殼微污染防護(hù).............................................22

第八部分外殼防腐技術(shù)發(fā)展趨勢.............................................25

第一部分航天器外殼腐蝕機(jī)制

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

電化學(xué)腐蝕

1.由于航天器外殼與空間環(huán)境介質(zhì)存在電化學(xué)勢差，在外

力作用下產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬表面的電解溶解和氧

化，形成腐蝕產(chǎn)物。

2.電化學(xué)腐飩與介質(zhì)的離子濃度、溫度、濕度、pH值密切

相關(guān)，高離子濃度、高溫高濕、酸性環(huán)境會加速電化學(xué)腐

蝕。

3.電化學(xué)腐蝕會破壞金屬表面的完整性，降低其機(jī)械強(qiáng)度

和耐久性，影響航天器的正常工作。

應(yīng)力腐蝕

1.在應(yīng)力的作用下，金屬材料中的缺陷和晶界會加速腐蝕，

導(dǎo)致材料沿晶界或穿晶開裂，稱為應(yīng)力腐蝕開裂。

2.應(yīng)力腐蝕的發(fā)生與材料的強(qiáng)度、腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)、加我

應(yīng)力的大小和類型有關(guān)，高強(qiáng)度材料、腐蝕性介質(zhì)、高應(yīng)力

條件更易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

3.應(yīng)力腐蝕開裂會嚴(yán)重質(zhì)害航天器外殼的承載能力，導(dǎo)致

災(zāi)難性故障。

微生物腐蝕

1.微生物，如細(xì)菌和真菌，能分泌有機(jī)酸、腐蝕性氣體和

酶促成腐蝕產(chǎn)物形成，加速金屬表面的腐蝕。

2.微生物腐蝕常發(fā)生在潮濕、溫暖、有氧氣的環(huán)境中，航

天器在發(fā)射前或著陸后暴露于這些環(huán)境時，容易受到微生

物腐蝕。

3.微生物腐蝕會產(chǎn)生氣孔、麻點(diǎn)、裂紋等腐他形態(tài)，影響

航天器外殼的機(jī)械性能和外觀。

摩擦腐蝕

1.在摩擦或磨損條件下，金屬表面的保護(hù)膜被破壞，暴露

的新鮮金屬表面與腐蝕介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致摩擦腐

蝕。

2.摩擦腐蝕與摩擦力和滑動速度有關(guān)，高摩擦力、低滑動

速度更易發(fā)生摩擦腐蝕。

3.摩擦腐蝕會產(chǎn)生磨損和腐蝕相結(jié)合的破壞形態(tài)，降低航

天器外殼的配合精度和壽命。

氫致脆

1.氫原子滲入金屬內(nèi)部，與金屬晶格缺陷結(jié)合，形成氫脆，

導(dǎo)致金屬脆性增加，強(qiáng)度和韌度下降。

2.氫致脆常發(fā)生在酸性或堿性介質(zhì)中，航天器在發(fā)射前或

著陸后接觸潮濕環(huán)境或化學(xué)推進(jìn)劑時，容易發(fā)生氫致脆。

3.氫致脆會引起航天器外殼的裂紋、斷裂，影響其安全性。

輻射腐蝕

1.在高能輻射的作用下，金屬表面的原子和電子會被激發(fā)

或游離，形成自由基和次級輻射，加速金屬腐蝕。

2.航天器在外層空間會受到太陽輻射、宇宙輻射和其他高

能輻射的轟擊，容易發(fā)生輻射腐飩。

3.輻射腐蝕會改變金屬的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，降低其機(jī)

械性能和抗腐蝕能力。

航天器外殼腐蝕機(jī)制

航天器在執(zhí)行太空任務(wù)期間，其外殼會暴露在各種嚴(yán)苛環(huán)境中，包括：

*真空環(huán)境：真空環(huán)境中，航天器表面會失去保護(hù)性大氣層，暴露于

高能輻射和粒子轟擊。這些因素會破壞材料的原子鍵，導(dǎo)致腐蝕和降

解。

*紫外線輻射：紫外線輻射會引起材料的光化學(xué)反應(yīng)，破壞分子結(jié)構(gòu)，

導(dǎo)致表面剝落和變色。

*原子氧：近地軌道中存在大量原子氧，它們具有很強(qiáng)的氧化性，會

腐蝕有機(jī)材料和金屬表面。

*微流星體和空間碎片：微流星體和空間碎片會高速撞擊航天器表面,

造成機(jī)械損傷和材料剝落。

*熱循環(huán)：航天器在軌道上經(jīng)歷極端溫差，從陽光直射到黑暗極寒。

這種熱循環(huán)會導(dǎo)致材料膨脹和收縮，產(chǎn)生應(yīng)力集中和微裂紋。

腐蝕形式

航天器外殼最常見的腐蝕形式包括：

*氧化腐蝕：金屬與氧氣反應(yīng)形成氧化物，從而削弱材料的強(qiáng)度和韌

第二部分外殼防護(hù)涂層材料選擇

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

外殼防護(hù)涂層材料選擇

【有機(jī)涂層】1.優(yōu)異的耐腐蝕性能，可抵御大氣環(huán)境、化學(xué)物質(zhì)和海水

腐蝕；

2.良好的附著力，確保深層與基材的粘合力；

3.可定制顏色和紋理,滿足美現(xiàn)性和功能性需求.

【無機(jī)涂層】

外殼防護(hù)涂層材料選擇

一、防護(hù)涂層材料分類

航天器外殼防護(hù)涂層材料主要分為以下幾類：

1.無機(jī)涂層

*優(yōu)點(diǎn)：具有良好的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化和導(dǎo)電性。

*缺點(diǎn)：脆性大，易開裂。

2.有機(jī)涂層

*優(yōu)點(diǎn)：成膜性好，韌性高，抗裂性強(qiáng)，易于加工。

*缺點(diǎn)：耐高溫性差，耐腐蝕性不及無機(jī)涂層。

3.金屬涂層

*優(yōu)點(diǎn)：具有優(yōu)異的抗氧化、耐腐蝕和屏蔽性能。

*缺點(diǎn)：成本高，重量大，易受電磁干擾。

二、航天器外殼防護(hù)涂層選用原則

航天器外殼防護(hù)涂層材料的選用應(yīng)遵循以下原則：

1.耐高溫性

航天器外殼在發(fā)射和再入大氣層過程中會承受高熱沖擊，因此涂層材

料必須具有良好的耐高溫性。

2.耐腐蝕性

航天器外殼在太空中會受到原子氧、紫外線、高能粒子等腐蝕因素的

侵襲，涂層材料必須具有優(yōu)異的耐腐蝕性。

3.耐輻射性

航天器外殼在太空環(huán)境中會受到高能輻射的轟擊，涂層材料必須具有

良好的耐輻射性。

4.導(dǎo)電性

部分航天器外殼需要具有導(dǎo)電性，以滿足電磁屏蔽或其他功能需求。

5.輕量化

航天器外殼重量應(yīng)盡可能輕，涂層材料應(yīng)具有較低的密度。

三、常用防護(hù)涂層材料

1.無機(jī)涂層材料

*氧化物陶瓷涂層：耐高溫、抗氧化、耐腐蝕性好，但脆性大。常見

的有氧化鋁、氧化錯、氧化硅等。

*氮化物陶瓷涂層：耐高溫、耐磨損、硬度高，但加工難度較大c常

見的有氮化硅、氮化鈦等。

2.有機(jī)涂層材料

*聚酰亞胺涂層：耐高溫、耐腐蝕、耐輻射，但韌性差。

*環(huán)氧樹脂涂層：成膜性好、韌性高，但耐高溫性較差。

*聚氨酯涂層：耐侯性好、抗沖擊，但耐高溫性一般。

3.金屬涂層材料

*鋁涂層：耐高溫、耐腐蝕、屏蔽性能好，但易受電磁干擾。

*鈦涂層：耐高溫、耐腐蝕、屏蔽性能好，但成本高。

*金涂層：耐腐蝕、導(dǎo)電性好，但成本高。

四、防護(hù)涂層綜合比較

不同類型的防護(hù)涂層材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和要

求進(jìn)行綜合比較：

*耐高溫性：無機(jī)涂層＞金屬涂層＞有機(jī)涂層

*耐腐蝕性：無機(jī)涂層＞金屬涂層＞有機(jī)涂層

*耐輻射性：無機(jī)涂層＞金屬涂層＞有機(jī)涂層

*導(dǎo)電性：金屬涂層＞無機(jī)涂層＞有機(jī)涂層

*輕量化：有機(jī)涂層＞無機(jī)涂層＞金屬涂層

*成本：有機(jī)涂層〈金屬涂層＜無機(jī)涂層

五、涂層材料組合應(yīng)用

為了滿足航天器外殼防護(hù)的復(fù)雜要求，往往采用多種防護(hù)涂層材料組

合應(yīng)用，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高涂層的綜合性能。

例如：

*內(nèi)層采用耐高溫、耐腐蝕的無機(jī)涂層，提供基礎(chǔ)防護(hù)。

*外層采用耐候、抗沖擊的有機(jī)涂層，增強(qiáng)涂層的韌性。

*表面再鍍一層金屬涂層，提高導(dǎo)電性和屏蔽性能。

第三部分電化學(xué)防護(hù)技術(shù)應(yīng)用

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

【陰極保護(hù)】：

1.通過連接腐蝕介質(zhì)中的金屬結(jié)構(gòu)與外部犧牲陽極，迫使

保護(hù)結(jié)構(gòu)成為陰極，從而抑制腐蝕反應(yīng)。

2.犧牲陽極材料通常選用比保護(hù)結(jié)構(gòu)電位更負(fù)的金屬，如

鋅、鎂、鋁等，以提供持續(xù)的電流保護(hù)。

3.陰極保護(hù)技術(shù)易于實(shí)施，維護(hù)成本低，對設(shè)備結(jié)構(gòu)影響

小，在石油和天然氣管線、海上平臺等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

【陽極保護(hù)】：

電化學(xué)防護(hù)技術(shù)應(yīng)用

簡介

電化學(xué)防護(hù)技術(shù)是一種通過施加外部電位抑制或減緩腐蝕過程的技

術(shù)。它廣泛應(yīng)用于航天器外殼的防腐蝕和防護(hù)，可有效延長外殼使用

壽命。

原理

電化學(xué)防護(hù)技術(shù)基于電化學(xué)原理。在腐蝕過程中，金屬表面與電解質(zhì)

（如水、離子溶液）接觸，形成電極。腐蝕是一種電化學(xué)過程，涉及

金屬原子向電解質(zhì)中釋放電子（陽極反應(yīng)），同時在電極表面發(fā)生還

原反應(yīng)（陰極反應(yīng)）。

電化學(xué)防護(hù)技術(shù)通過施加外部電位，改變電極表面的電位差，從而抑

制或減緩腐蝕反應(yīng)C

技術(shù)類型

電化學(xué)防護(hù)技術(shù)可分為以下兩種主要類型：

*陽極保護(hù)技術(shù)：通過施加陽極電流，使金屬表面電位升高到高于其

腐蝕電位，從而形成一層保護(hù)性氧化膜。

*陰極保護(hù)技術(shù)：通過施加陰極電流，使金屬表面電位降低到低于其

腐蝕電位，從而抑制陰極反應(yīng)。

陽極保護(hù)技術(shù)

陽極保護(hù)技術(shù)可進(jìn)一步分為犧牲陽極法和施加電流法。

*犧牲陽極法：利用電位比被保護(hù)金屬更負(fù)的犧牲陽極，與被保護(hù)金

屬電連接。犧牲陽極優(yōu)先腐蝕，消耗自身物質(zhì)，保護(hù)被保護(hù)金屬。

*施加電流法：通過施加外部恒定陽極電流，在金屬表面生成保護(hù)性

氧化膜。

陰極保護(hù)技術(shù)

陰極保護(hù)技術(shù)可分為施加電流法和犧牲陽極法。

*施加電流法：通過施加外部恒定陰極電流，提供足夠的電子，抑制

陰極反應(yīng)。

*犧牲陽極法：利用電位比被保護(hù)金屬更正的犧牲陽極，與被保護(hù)金

屬電連接。犧牲陽極持續(xù)釋放電子，保護(hù)被保護(hù)金屬免受腐蝕。

航天器外殼應(yīng)用

電化學(xué)防護(hù)技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天器外殼的防腐蝕和防護(hù)。以下是一些

典型應(yīng)用：

*鋁合金外殼：陽極保護(hù)技術(shù)，通過施加陽極電流形成保護(hù)性氧化膜。

*不銹鋼外殼：陰極保護(hù)技術(shù)，通過施加陰極電流抑制陰極反應(yīng)。

*復(fù)合材料外殼：犧牲陽極法，利用犧牲陽極保護(hù)被保護(hù)材料免受電

化學(xué)腐蝕。

影響因素

電化學(xué)防護(hù)技術(shù)的有效性受以下因素影響：

*被保護(hù)金屬的類型

*電解質(zhì)的性質(zhì)

*施加電位的大小和持續(xù)時間

*陽極或犧牲陽極的材料和位置

優(yōu)勢

電化學(xué)防護(hù)技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

*抑制或減緩腐蝕過程，延長外殼使用壽命

*可在各種環(huán)境下使用，包括極端溫度和真空條件

*無需使用化學(xué)抑制劑或涂層材料

局限性

電化學(xué)防護(hù)技術(shù)也存在以下局限性：

*需要外部電源

*施加電流可能會產(chǎn)生氣泡或氫脆

*對于復(fù)雜幾何形狀的外殼可能難以實(shí)施

結(jié)論

電化學(xué)防護(hù)技術(shù)是航天器外殼防腐蝕和防護(hù)的重要技術(shù)。它通過施加

外部電位抑制或減緩腐蝕過程，延長外殼使用壽命。陽極保護(hù)技術(shù)和

陰極保護(hù)技術(shù)是電化學(xué)防護(hù)技術(shù)的兩大主要類型，可根據(jù)被保護(hù)金屬

的類型和環(huán)境條件進(jìn)行選擇。

第四部分犧牲陽極防護(hù)原理

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

犧牲陽極防護(hù)原理

1.原理：犧牲陽極防護(hù)是一種電化學(xué)保護(hù)技術(shù)，通過犧牲

一個電位更低的金屬（陽極）來保護(hù)結(jié)構(gòu)或設(shè)備（陰極）。

當(dāng)陽極和陰極連接時，陽極優(yōu)先發(fā)生腐蝕，從而防止陰極被

腐蝕。

2.陽極材料選擇：犧牲陽極的材料應(yīng)具有比受保護(hù)金屬更

低的電位，并具有良好的耐腐蝕性。常用的犧牲陽極材料包

括鋅、鎂、鋁和錮。

3.陽極設(shè)計(jì)：犧牲陽極的形狀、尺寸和數(shù)量應(yīng)根據(jù)受保護(hù)

結(jié)構(gòu)的腐蝕性、形狀和面積來優(yōu)化。陽極應(yīng)均勻分布在結(jié)構(gòu)

周圍，以確保全面保護(hù)。

陰極保護(hù)極化曲線

1.極化曲線：陰極保護(hù)極化曲線描述了受保護(hù)金屬的電位

和電流密度之間的關(guān)系。它可以用來確定陰極保護(hù)系統(tǒng)是

否提供足夠的保護(hù)。

2.臨界電流密度：當(dāng)電流密度達(dá)到臨界值時，金屬表面的

腐蝕速率顯著降低。臨界電流密度受多種因素影響，包括環(huán)

境條件、金屬類型和極化方式。

3.極化保護(hù)范圍：陰極保護(hù)極化曲線可以用來確定陰極保

護(hù)的有效保護(hù)范圍。受保護(hù)區(qū)域的電位應(yīng)處于極化范圍內(nèi)，

以確保充分保護(hù)。

犧牲陽極消耗速率

1.消耗速率：犧牲陽極的消耗速率取決于腐蝕環(huán)境、陽極

材料和陽極設(shè)計(jì)。消耗速率可以通過法拉第定律計(jì)算。

2.陽極尺寸：犧牲陽極的尺寸應(yīng)根據(jù)其消耗速率和受保護(hù)

結(jié)構(gòu)的預(yù)期使用壽命來確定。陽極的尺寸必須足夠大，以確

保在整個使用壽命期間提供全面保護(hù)。

3.定期維護(hù)：犧牲陽極需要定期監(jiān)測和更換，以確保持續(xù)

的保護(hù)。更換頻率取決于消耗速率和環(huán)境條件。

犧牲陽極防護(hù)在航天器外殼

中的應(yīng)用1.航天器環(huán)境：航天器在太空環(huán)境中面臨著獨(dú)特的腐蝕挑

戰(zhàn)，包括真空、電離輻射和溫度波動。犧牲陽極防護(hù)是一種

有效的技術(shù)，可以保護(hù)航天器外殼免受這些惡劣條件的影

響。

2.陽極材料：鎂是航天器犧牲陽極應(yīng)用中常用的材料，因

為它具有低電位和良好的耐腐蝕性。

3.陽極位置：犧牲陽極通常安裝在航天器外殼外部，以提

供全面的保護(hù)。陽極的位置應(yīng)優(yōu)化，以最大限度地覆蓋受保

護(hù)區(qū)域。

犧牲陽極防護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨

勢1.納米技術(shù)：納米技術(shù)已被用于開發(fā)新的犧牲陽極材料和

涂層，這些材料和涂層具有更高的耐腐蝕性和更長的使用

壽命。

2.可再生陽極：可再生陽極使用電化學(xué)或其他方法來再生

陽極材料，從而延長了陽極的壽命和減少了維護(hù)需求。

3.智能陽極：智能陽極使用傳感器和反饋機(jī)制，以自動調(diào)

整犧牲陽極的輸出，以優(yōu)化陰極保護(hù)。

犧牲陽極防護(hù)原理

犧牲陽極防護(hù)是一種電化學(xué)防護(hù)技術(shù)，通過使用一種比被保護(hù)金屬電

位更負(fù)的陽極材料，迫使后者成為腐蝕電池的陽極。犧牲陽極材料自

身發(fā)生腐蝕，避免被保護(hù)金屬被腐蝕。

原理

1.電位差：犧牲陽極的電位比被保護(hù)金屬的電位更負(fù)。在連接在一

起時，犧牲陽極成為陽極，被保護(hù)金屬成為陰極。

2.電流流動：通過犧牲陽極和被保護(hù)金屬之間的外部電路，電流從

犧牲陽極流向被保護(hù)金屬。

3.陽極溶解：犧牲陽極的金屬離子溶解到電解質(zhì)中。

4.陰極保護(hù)：犧牲陽極的腐蝕產(chǎn)生氫離子，在被保護(hù)金屬表面形成

保護(hù)性氫膜。

優(yōu)點(diǎn)

*無需外加電源。

*陽極大小和形狀可靈活設(shè)計(jì)。

*適用于復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)。

*持續(xù)提供保護(hù)，無需定期維護(hù)。

缺點(diǎn)

*需要定期更換犧牲陽極。

*在某些環(huán)境下，犧牲陽極可能產(chǎn)生有害副產(chǎn)物。

*陽極消耗率可能因環(huán)境條件而異。

應(yīng)用

犧牲陽極防護(hù)廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

*船舶和海上結(jié)構(gòu)

*埋地管道和儲罐

*熱水器

*工業(yè)設(shè)備

選擇犧牲陽極材料

犧牲陽極材料應(yīng)滿足以下要求：

*電位比被保護(hù)金屬更負(fù)

*穩(wěn)定的腐蝕速率

*低氫產(chǎn)生量

*耐腐蝕

*成本低廉

常見犧牲陽極材料：

*鋅

*鋁

*鎂

*錮

設(shè)計(jì)考慮

有效犧牲陽極防護(hù)設(shè)計(jì)需要考慮以下因素:

*被保護(hù)金屬的面積和形狀

*電解質(zhì)的腐蝕性

*環(huán)境溫度

*陽極消耗率

*更換和維護(hù)頻率

監(jiān)測

定期監(jiān)測犧牲陽極的消耗情況和電位至關(guān)重要，以確保持續(xù)保護(hù)。監(jiān)

測方法包括：

*陽極目測檢查

*電位測量

*電阻測量

陽極壽命

犧牲陽極的壽命取決于以下因素：

*陽極的初始質(zhì)量

*被保護(hù)金屬的面積

*電解質(zhì)的腐蝕性

*環(huán)境溫度

陽極壽命可以根據(jù)以下公式估計(jì)：

XXX

壽命（年）=陽極重量（公斤）X安時容量（Ah/公斤）X電流效

率X保護(hù)因子/（平均電流（A）X8760（小時/年））

電化學(xué)參數(shù)

犧牲陽極防護(hù)涉及以下電化學(xué)參數(shù)：

*陽極電位

*陰極電位

*電流密度

*極化電阻

*陽極消耗速率

通過監(jiān)測這些參數(shù)，可以優(yōu)化犧牲陽極防護(hù)系統(tǒng)的性能和效率。

第五部分超疏水材料的防腐性能

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

超疏水材料的防腐機(jī)制

1.超琉水材料表面存在大量微納米結(jié)構(gòu)，形成封閉的空氣

層，顯著降低水滴附著力，阻止腐蝕介質(zhì)的吸附和滲透。

2.超疏水涂層通過阻止電解質(zhì)溶液與基體的接觸，抑制腐

蝕反應(yīng)的發(fā)生和進(jìn)行，從而減少腐蝕速率。

3.超疏水材料的疏水性賦予其自清潔特性，能夠有效去除

表面污染物，防止腐蝕性物質(zhì)在表面累積。

超疏水材料的耐候性

1.超琉水材料通常具有良好的耐候性，能夠抵抗紫外線輻

射、風(fēng)沙侵蝕和極端溫度等環(huán)境因素的影響。

2.疏水結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是超疏水材料耐候性的關(guān)鍵，通過涂

層優(yōu)化和表面改性，可以提高疏水結(jié)構(gòu)的耐久性和穩(wěn)定性。

3.耐候性超疏水材料在航天器外殼防護(hù)中表現(xiàn)出卓越的性

能，能夠長期保持疏水性能，有效防止腐蝕和表面損傷。

超疏水材料的復(fù)合防護(hù)技術(shù)

1.超疏水材料與其他防腐技術(shù)（如防腐涂層、陰極保護(hù)）

相結(jié)合，形成復(fù)合防護(hù)體系，大幅提高航天器外殼的防腐蝕

性能。

2.超疏水材料的疏水性能可以增強(qiáng)防腐涂層的附著力和耐

久性，有效抑制腐蝕介質(zhì)的滲透和剝落。

3.復(fù)合防護(hù)技術(shù)利用不同防腐原理的協(xié)同作用，提高防腐

俅性能，.延長航天器外殼的使用壽命C

超琉水材料的制備技術(shù)

1.超疏水材料的制備方法主要包括化學(xué)氣相沉積、物理氣

相沉積、電化學(xué)沉積和模板法等。

2.不同制備方法可以獲得不同結(jié)構(gòu)和性能的超疏水材料，

需要根據(jù)航天器外殼防護(hù)需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.先進(jìn)的制備技術(shù)不斷涌現(xiàn)，推動了超疏水材料的性能提

升和成本降低，為航天器外殼防護(hù)提供了更多選擇。

超疏水材料的應(yīng)用趨勢

1.超疏水材料在航天器外殼防護(hù)中的應(yīng)用前景廣闊，有望

成為下一代防腐蝕技術(shù)的主流。

2.超疏水材料的不斷發(fā)展，推動了其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，

如電子設(shè)備、建筑物和紡織品等。

3.超疏水材料的研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向提高耐候性、自修復(fù)性

和抗菌性，以滿足更加苛刻的應(yīng)用需求。

超疏水材料的未來展望

1.超疏水材料的蓬勃發(fā)展為航天器外殼的長期防腐蝕提供

了新的機(jī)遇，有望徹底解決航天器腐蝕問題。

2.超疏水材料的集成化.智能化和多功能化是未來研究方

向，將進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍和價值。

3.超疏水材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加快，有望在未來幾年內(nèi)

實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

超疏水材料的防腐性能

超疏水材料是一種具有高表面能和低表面張力的材料，其表面接觸角

大于150°,滾動角小于10°。由于其獨(dú)特的表面特性，超疏水材料

在航天器防腐領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用價值。

原理

超疏水材料的防腐性能主要?dú)w因于其表面微納米結(jié)構(gòu)和低表面能。其

表面通常具有分級結(jié)構(gòu)，包括微米級凸起和納米級粗糙度。當(dāng)液體接

觸到超疏水表面時，液滴會形成球形并懸浮在表面上，與之接觸的實(shí)

際面積極小。同時，超疏水材料的低表面能會降低液滴附著力，使液

滴容易滑落或彈開c

防腐機(jī)理

超疏水材料的防腐機(jī)理主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

*自清潔功能：超疏水表面具有良好的自清潔性能，液滴在表面滾動

時會帶走附著在其上的污染物，從而防止腐蝕性物質(zhì)的積累。

*屏障保護(hù)：液滴在超疏水表面上的球形懸浮狀態(tài)可以形成一層保護(hù)

層，隔離腐蝕性物質(zhì)與基體之間的接觸。

*化學(xué)惰性：超疏水材料通常具有良好的化學(xué)惰性，不容易與腐飩性

物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

*物理保護(hù)：超疏水材料的微納米結(jié)構(gòu)可以增加表面硬度和耐磨性,

從而增強(qiáng)其對物理損傷的抵抗力。

性能評價

對超疏水材料的防腐性能評價主要包括以下指標(biāo)：

*接觸角：接觸角越大，防腐性能越好。

*滾動角：滾動角越小，自清潔性能越強(qiáng)。

*耐腐蝕性：通過鹽霧試驗(yàn)、酸雨試驗(yàn)等評價材料在不同腐蝕環(huán)境下

的耐久性。

*耐磨性：通過摩擦磨損試驗(yàn)評價材料的耐磨損性能。

應(yīng)用

超疏水材料在航天器防腐領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，主要用于：

*外殼涂層：保護(hù)航天器外殼免受太空環(huán)境中的原子氧、紫外線、微

流星體等因素的侵蝕。

*燃料箱內(nèi)襯：防止燃料泄漏和腐蝕，提高燃料箱的安全性。

*熱控涂層：控制航天器表面的熱輻射和反射率，提高其熱穩(wěn)定性。

*傳感器保護(hù)：保護(hù)的傳感器免受腐蝕性氣體和液體的損害。

發(fā)展趨勢

超疏水材料的防腐技術(shù)仍在不斷發(fā)展，主要著力于：

*提高防腐性能：通過優(yōu)化表面結(jié)構(gòu)、提高材料耐候性等手段，提升

材料的防腐耐久性C

*降低成本：探索低成本、高效率的超疏水材料制備方法。

*多功能化：開發(fā)具有多重功能的超疏水材料，如自修復(fù)、抗菌等。

數(shù)據(jù)例證

*氟化聚合物系超疏水材料：接觸角160°以上，滾動角小于5。，

耐酸堿鹽腐蝕。

*納米涂層超疏水材料：接觸角165°,滾動角1°,耐鹽霧腐蝕1000

小時以上。

*仿生超疏水材料：模擬荷葉表面結(jié)構(gòu)，接觸角170°,滾動角0°,

具有優(yōu)異的自清潔性能。

第六部分航天器外殼熱防護(hù)措施

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

航天器外殼隔熱材料

1.隔熱材料具有低導(dǎo)熱率、高比熱容、高熔點(diǎn)和抗氧化性，

例如陶瓷纖維、碳化硅泡沫、石墨泡沫等。

2.隔熱材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)化其熱阻和重量，考慮多層結(jié)

構(gòu)、氣凝膠填充和熱障涂層等方案。

3.隔熱材料需要承受極端溫度、機(jī)械載荷和輻射環(huán)境，因

此需采用耐高溫、抗沖擊和耐輻照的材料和結(jié)構(gòu)。

航天器外殼主動冷卻技術(shù)

1.主動冷卻技術(shù)利用流體循環(huán)或相變材料來去除熱量，例

如液體冷卻系統(tǒng)、熱管和融化相變材料。

2.主動冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮冷卻劑的選擇、流路布置、熱

交換器效率和系統(tǒng)可靠性。

3.相變材料具有高潛熱、體積變化小等特點(diǎn)，可用于提高

冷卻效率和減輕重量。

航天器外殼熱障涂層

1.熱障涂層具有低導(dǎo)熱率、高熔點(diǎn)、抗氧化性和抗燒蝕性，

例如氧化陶瓷、熱噴涂金屬和陶瓷復(fù)合涂層。

2.熱障涂層厚度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需綜合考慮熱保護(hù)性能、重量

和成本，并優(yōu)化涂層與基底的粘結(jié)強(qiáng)度。

3.熱障涂層需具備良好的機(jī)械性能和耐輻射性，以承受高

應(yīng)力和輻射環(huán)境。

航天器外殼隔熱結(jié)構(gòu)

1.隔熱結(jié)構(gòu)通常采用蜂窩狀、夾層板或桁架結(jié)構(gòu)，具有高

強(qiáng)度、低重量和良好的隔熱性能。

2.隔熱結(jié)構(gòu)的材料選擇而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮機(jī)械載荷、溫度

分布和熱變形等因素。

3.隔熱結(jié)構(gòu)需與航天器外殼集成，優(yōu)化整體熱保護(hù)性能和

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

航天器外殼表面改性

1.表面改性技術(shù)包括氧化、電鍍、鈍化和等離子體處理等，

可改善外殼的抗腐蝕性、耐磨性和抗輻照性。

2.表面改性層需要具備良好的附著力和耐久性，以承受極

端環(huán)境。

3.表面改性可與其他熱防護(hù)措施結(jié)合，如熱障涂層和隔熱

材料，以增強(qiáng)整體防護(hù)效果。

航天器外殼失效檢測與評估

1.失效檢測技術(shù)包括非破壞性檢測（NDT）和傳感器監(jiān)測，

用于實(shí)時監(jiān)測外殼的熱防護(hù)狀態(tài)。

2.失效評估需要分析NDT數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)，

確定外殼的損傷程度和剩余壽命。

3.定期失效檢測和評估有助于及時發(fā)現(xiàn)問題并制定相應(yīng)的

維護(hù)和修復(fù)措施，確保航天器外殼的可靠性和安全性。

航天器外殼熱防護(hù)措施

航天器在太空環(huán)境中會面臨極端的高溫和低溫環(huán)境，為了保護(hù)航天器

外殼免受熱損傷，需要采取有效的熱防護(hù)措施。航天器外殼熱防護(hù)技

術(shù)主要包括以下幾個方面：

1.主動式熱防護(hù)

主動式熱防護(hù)技術(shù)通過主動控制航天器外殼表面溫度來實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)。

常用的主動式熱防護(hù)技術(shù)包括：

*主動冷卻：采用液體或氣體循環(huán)系統(tǒng)，將熱量從航天器外殼表面?zhèn)?/p>

導(dǎo)至散熱器，從而降低表面溫度。

*電加熱：通過電加熱元件加熱航天器外殼表面，以抵消熱通量，避

免表面溫度過高。

*可變熱發(fā)射率材料：采用可變熱發(fā)射率材料，調(diào)節(jié)航天器外殼表面

的熱輻射發(fā)射率，thereby控制表面溫度。

2.被動式熱防護(hù)

被動式熱防護(hù)技術(shù)通過利用材料本身的特性來實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)。常用的被

動式熱防護(hù)技術(shù)包括：

*隔熱材料：采用低導(dǎo)熱率材料，如多層絕緣、泡沫塑料、陶瓷等,

作為航天器外殼與熱源之間的隔熱層，阻隔熱量傳遞。

*吸熱材料：采用高比熱容材料，如碳纖維復(fù)合材料、石墨、高溫合

金等，吸收熱量并將其轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，從而降低表面溫度。

*消融材料：采用消融材料，如酚醛樹脂、聚苯乙烯等，在受熱時發(fā)

生消融，吸收熱量并形成氣膜，保護(hù)航天器外殼免受熱損傷。

3.復(fù)合式熱防護(hù)

復(fù)合式熱防護(hù)技術(shù)將主動式和被動式熱防護(hù)技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更好

的熱防護(hù)效果。常用的復(fù)合式熱防護(hù)技術(shù)包括：

*主動冷卻隔熱：在隔熱材料中嵌入主動冷卻系統(tǒng)，既可以隔熱又可

以冷卻，提高熱防護(hù)效率。

*吸熱隔熱：采用既能吸熱又能隔熱的材料，如碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材

料，既可以吸收熱量又可以阻隔熱量傳遞。

*消融冷卻：將消融材料與主動冷卻系統(tǒng)相結(jié)合，在消融過程中利用

冷卻系統(tǒng)將熱量帶走，增強(qiáng)熱防護(hù)能力。

4.熱防護(hù)技術(shù)選擇

航天器外殼熱防護(hù)技術(shù)的選擇取決于航天器所面臨的熱環(huán)境、任務(wù)要

求和成本等因素。

*熱環(huán)境：航天器在軌運(yùn)行時會面臨來自太陽輻射、地球大氣層再入

摩擦、推進(jìn)器排氣等多種熱源。熱環(huán)境的特征，如熱通量、持續(xù)時間

和溫度分布，將影響熱防護(hù)技術(shù)的選型。

*任務(wù)要求：航天器執(zhí)行的任務(wù)不同，對熱防護(hù)的要求也不同。例如，

再入艙需要承受更高的熱通量和溫度，而衛(wèi)星則需要長期保持一定的

溫度范圍。

*成本：航天器熱防護(hù)技術(shù)的選擇還受制于成本因素。主動式熱防護(hù)

技術(shù)通常比被動式熱防護(hù)技術(shù)更加昂貴，但它可以提供更好的熱防護(hù)

效果。

通過綜合考慮熱環(huán)境、任務(wù)要求和成本等因素，可以為航天器外殼選

擇合適的熱防護(hù)技術(shù)，以確保航天器在太空環(huán)境中安全可靠地運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

*中國宇航學(xué)會航天材料與工藝分會.《航天材料與熱控制技術(shù)發(fā)展

報告》.北京：科學(xué)出版社，2021.

*王金輝，張明，李遠(yuǎn)祥.《航天材料》.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,

2020.

第七部分航天器外殼微污染防護(hù)

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

主題名稱：先進(jìn)材料防護(hù)

1.利用新型纖維增會復(fù)合材料，如碳纖維復(fù)合材料和芳綸

纖維復(fù)合材料，提高外殼耐腐蝕性，減少電化學(xué)腐蝕等問

題。

2.采用陶瓷涂層或金屬除層，如氧化鋁、氮化硅或氟化鋁，

增強(qiáng)外殼對高能輻射和原子氧的抵抗力，臧少氧化和侵蝕。

3.開發(fā)自修復(fù)材料和涂層，利用納米技術(shù)和微膠囊技術(shù)，

增強(qiáng)外殼對腐蝕的自我修復(fù)能力，延長使用壽命。

主題名稱：表面處理與能化

航天器外殼微污染防護(hù)

航天器外殼微污染主要指微粒、薄膜和分子污染，它們會影響航天器

表面的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能，導(dǎo)致航天器功能下降甚至失效。

因此，航天器外殼微污染防護(hù)至關(guān)重要。

一、微粒污染與防護(hù)

微粒污染主要指尺寸在lOOnnTlOOum之間的顆粒，它們會散射和吸

收太陽光，影響航天器表面的熱平衡；還可能劃傷航天器表面，造成

光學(xué)性能下降。

防護(hù)措施：

*表面涂層：應(yīng)用低表面能、高硬度和耐磨損的涂層，如氟化石墨涂

層、金剛石狀碳涂層等，可有效減小微粒粘附和損傷。

*靜電放電：利用靜電放電法去除表面微粒，可有效清除表面浮塵和

松散雜質(zhì)，但要注意控制放電強(qiáng)度和時間，避免損傷航天器表面。

*超聲波清洗：采用超聲波在液體中產(chǎn)生空化作用，將微粒從表面剝

離，達(dá)到清洗效果C

*離子束轟擊：利用離子束轟擊航天器表面，使微粒濺射脫落，可有

效去除納米級微粒，但需控制離子束能量和角度，避免損傷表面。

二、薄膜污染與防護(hù)

薄膜污染是指在航天器表面形成的厚度小于lOOnm的污染物，主要是

吸附的氣體分子、有機(jī)物和水膜等。它們會影響航天器表面的光學(xué)反

射率、熱輻射率和電阻率，造成信號失真、散熱不良和電氣絕緣問題。

防護(hù)措施：

*表面鈍化處理：對航天器表面進(jìn)行陽極氧化、化學(xué)鈍化等處理，形

成致密的氧化物層或鈍化層，提高表面耐腐蝕性和抗污染性。

*真空蒸鍍：在真空環(huán)境中，將一層薄膜（如Si02、A1203）沉積在

航天器表面，形成保護(hù)層，隔離污染物與航天器表面。

*輻射誘導(dǎo)脫附：利用紫外光、X射線等輻射源轟擊航天器表面，使

表面吸附的污染物脫附逸出，達(dá)到凈化效