2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——太空環(huán)境下材料抗氧化性能研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在太空環(huán)境中，導(dǎo)致材料發(fā)生氧化的最主要化學(xué)因素是（）。A.微量金屬離子的催化作用B.太陽光譜中的紫外線輻射C.真空環(huán)境下的原子濺射D.氧氣分子的化學(xué)活性2.鎳基高溫合金在太空中通常表現(xiàn)出相對較好的抗氧化性能，這主要是因?yàn)槠浔砻婺苄纬桑ǎ?。A.不連續(xù)的、疏松的氧化膜B.連續(xù)的、致密的氧化鋁膜C.易剝落的硅酸鹽類玻璃相膜D.具有裂紋的氮化物層3.太空環(huán)境下，材料表面形成的“宇航員釉”（Astronaut釉）主要是哪種物質(zhì)或類物質(zhì)？（）A.純凈的二氧化硅（SiO?）B.氮化硅（Si?N?）或類氮化硅玻璃相C.氧化鋁（Al?O?）和硅酸鹽的混合物D.金屬硅（Si）4.影響材料太空抗氧化性能的關(guān)鍵因素之一是空間輻射，其主要作用機(jī)制是（）。A.直接與材料中的氧原子反應(yīng)生成氧化物B.激發(fā)材料內(nèi)部電子，增加材料與氧氣分子的碰撞幾率C.破壞材料表面的氧化膜，暴露新鮮基體D.降低材料表面的溫度，減緩氧化反應(yīng)速率5.空間真空環(huán)境下，材料氧化過程與地面相比，其主要區(qū)別在于（）。A.氧分壓顯著降低，氧化驅(qū)動力減小B.氧分壓顯著升高，氧化驅(qū)動力增大C.材料內(nèi)部原子擴(kuò)散速率加快D.材料表面反應(yīng)活化能降低6.對于在軌運(yùn)行的空間結(jié)構(gòu)材料，除了抗氧化性，還需要特別關(guān)注其在抗氧化后（）的保持情況。A.密度B.彈性模量C.電導(dǎo)率D.磁化率7.下列哪種測試方法常用于評估材料在模擬太空環(huán)境（如真空、高能粒子輻照）下的抗氧化性能？（）A.扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)B.高溫拉伸試驗(yàn)C.模擬空間環(huán)境加速氧化試驗(yàn)（如真空熱氧化）D.硬度測試8.在材料抗氧化機(jī)理研究中，指出高溫下，材料表面形成的致密、低滲透性的氧化膜是阻止氧化繼續(xù)進(jìn)行的關(guān)鍵。這種觀點(diǎn)（）。A.準(zhǔn)確B.不準(zhǔn)確9.離子注入技術(shù)可以用來提高材料抗氧化性能，其主要原理是（）。A.在材料表面形成一層物理隔離層B.向材料表面注入能夠形成穩(wěn)定氧化物的元素C.改變材料表面能級結(jié)構(gòu)，抑制電子參與氧化D.增強(qiáng)材料對輻射的吸收能力，減少輻射損傷10.空間環(huán)境中，材料氧化產(chǎn)物的剝落現(xiàn)象（Spalling）主要是由什么引起的？（）A.氧化膜與基體之間的熱失配應(yīng)力B.氧化膜與基體之間的電化學(xué)電位差C.材料內(nèi)部產(chǎn)生的輻照損傷累積D.真空環(huán)境導(dǎo)致的材料表面蒸發(fā)二、填空題（每空1分，共10分）1.太空環(huán)境主要包括高真空、______、空間輻射和溫差循環(huán)等特征。2.材料在太空真空環(huán)境下氧化，其驅(qū)動力主要是材料與外界的______差。3.“宇航員釉”的形成通常需要經(jīng)歷一個從______到致密氧化物的轉(zhuǎn)變過程。4.影響材料太空抗氧化性能的另一重要因素是______，它能破壞材料表面的氧化膜。5.為了研究材料在太空環(huán)境下的長期抗氧化行為，常采用______和______等方法模擬空間環(huán)境。6.空間輻射中的______和______對材料的氧化過程有顯著影響。7.添加______元素到金屬材料中，可以顯著提高其高溫抗氧化性能。8.除了化學(xué)氧化，太空環(huán)境中的______也可能導(dǎo)致材料表面成分變化，間接影響抗氧化性。9.評估材料抗氧化性能的指標(biāo)主要包括氧化膜的______、______和致密性。10.針對特定應(yīng)用，需要考慮材料在長期太空暴露后的______和______問題。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述影響材料在太空環(huán)境下抗氧化性能的主要因素有哪些？2.描述材料在太空中氧化的一般過程和形成的氧化膜可能具有哪些特征？3.與地面大氣氧化相比，簡述太空環(huán)境（真空）下材料氧化的主要特點(diǎn)。四、論述題（10分）試論述提高材料在太空環(huán)境下抗氧化性能的幾種主要方法及其原理。結(jié)合實(shí)例說明。五、設(shè)計/計算題（25分）（假設(shè)）某航天器部件使用一種鈦合金，計劃在軌工作10年。要求評估其在典型空間環(huán)境（考慮真空、太陽總輻射、電子輻照）下的抗氧化可靠性。請設(shè)計一個包含至少三種不同模擬測試的實(shí)驗(yàn)方案，說明每種測試的目的、模擬條件、主要觀測指標(biāo)以及預(yù)期的結(jié)果分析。并簡述如何根據(jù)測試結(jié)果預(yù)測該鈦合金在實(shí)際空間環(huán)境中的服役壽命。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.B4.C5.A6.B7.C8.A9.B10.A二、填空題1.高溫2.化學(xué)勢3.薄的、非晶態(tài)的氧化物層4.太陽紫外線輻射5.真空熱氧化；輻射結(jié)合真空熱氧化6.X射線；質(zhì)子7.鋁（Al）8.離子濺射9.厚度；均勻性10.結(jié)構(gòu)完整性；性能穩(wěn)定性三、簡答題1.答：主要因素包括：材料本身的化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)（如活潑性、合金元素種類與含量）；太空環(huán)境的特征（真空度、溫度循環(huán)范圍、太陽輻照強(qiáng)度、空間粒子類型與通量）；材料所處的狀態(tài)（如表面狀態(tài)、應(yīng)力水平）。2.答：一般過程：材料表面的原子或離子與環(huán)境中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氧化物。初期可能形成疏松、非晶態(tài)的氧化層，隨后可能轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿木B(tài)氧化膜。如果氧化膜不致密或與基體結(jié)合差，則氧化會持續(xù)進(jìn)行，甚至可能伴隨氧化物的剝落。氧化膜特征：通常為氧化物，可能具有玻璃相、晶相或混合相結(jié)構(gòu)；可以是連續(xù)的或不連續(xù)的；可以是致密的或疏松的；與基體的結(jié)合強(qiáng)度可能不同。3.答：主要特點(diǎn)：真空環(huán)境下，氧分壓極低，氧化驅(qū)動力主要來自于材料與外界的化學(xué)勢差，而非大氣壓差；氧化速率可能比地面低，但太陽紫外線輻射能顯著加速氧化過程；空間粒子輻照能破壞材料表面的氧化膜，或直接引起材料損傷，促進(jìn)氧化；溫度劇烈波動會加劇氧化膜與基體的熱失配應(yīng)力，可能導(dǎo)致氧化膜剝落。四、論述題答：提高材料太空抗氧化性能的方法主要有：（1）材料選擇：選用本身抗氧化性能好的材料，如鈦合金、鎳基合金、某些陶瓷材料等。（2）合金化：在基體中加入能提高抗氧化性的合金元素。例如，在鐵、鎳基合金中加入鋁（Al）、鉻（Cr），形成致密的α-氧化鋁（Al?O?）或Cr?O?保護(hù)膜；在鈦合金中加入鋁、釩等。（3）表面處理：采用涂層技術(shù)，在材料表面制備一層專門的防護(hù)涂層。例如，物理氣相沉積（PVD）或化學(xué)氣相沉積（CVD）制備陶瓷涂層（如SiC、Si?N?、Al?O?），或采用陽極氧化、磷化等形成增強(qiáng)的表面氧化層。（4）離子注入：將能形成穩(wěn)定氧化物的元素離子注入材料表面一定深度，形成表面改性層。（5）控制制造工藝：避免在材料制造過程中引入過多的雜質(zhì)元素，減少可能破壞氧化膜的缺陷。原理：這些方法的核心在于構(gòu)建一層能有效阻礙氧氣向基體擴(kuò)散、自身穩(wěn)定且與基體結(jié)合良好的保護(hù)層，或從根本上提高材料基體的抗氧化能力。例如，Al?O?膜致密且化學(xué)穩(wěn)定性好，能有效隔離氧氣；Cr元素的加入能促進(jìn)Cr?O?的形成，提供有效的化學(xué)屏障；表面涂層則是在原有基體上外加了一道物理屏障。結(jié)合實(shí)例：例如，為了提高運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)用鎳基高溫合金的抗氧化性能，通常采用在合金成分中添加Cr和Al，并在制造后進(jìn)行高溫處理，使其表面形成穩(wěn)定的Cr?O?和Al?O?混合氧化膜。對于空間站結(jié)構(gòu)件，有時會在鈦合金表面涂覆SiC或Si?N?陶瓷涂層，以提供更強(qiáng)的紫外線和粒子輻照防護(hù)能力。五、設(shè)計/計算題答：評估鈦合金在太空環(huán)境下的抗氧化可靠性實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計如下：實(shí)驗(yàn)?zāi)康模涸u估該鈦合金在模擬軌道真空、太陽總輻射及電子輻照環(huán)境下的長期抗氧化性能和可靠性。模擬測試方案：（1）真空熱氧化測試：*模擬條件：高真空環(huán)境（優(yōu)于10??Pa），模擬空間溫度循環(huán)（例如，在700°C和室溫之間循環(huán)），通入少量氧氣（如10?3PaO?分壓）或模擬太陽輻照。*主要觀測指標(biāo)：氧化膜厚度隨時間的變化、氧化膜成分分析（SEM-EDS）、氧化膜結(jié)構(gòu)觀察（SEM）、基體成分變化分析（WDS）、表面形貌變化（SEM）、質(zhì)量損失率。*預(yù)期結(jié)果分析：通過監(jiān)測氧化膜厚度增長速率，評估材料的抗氧化速率。分析氧化膜是否致密、與基體結(jié)合情況。成分變化可判斷是否有元素選擇性氧化。質(zhì)量損失反映總氧化量。（2）真空+紫外線輻照加速氧化測試：*模擬條件：高真空環(huán)境，使用氙燈模擬太陽紫外線（UV）輻照，同時保持樣品在較高溫度（如500°C）下。*主要觀測指標(biāo)：表面氧化膜形貌變化（SEM）、光學(xué)顯微鏡下氧化膜顏色和均勻性、微區(qū)成分分析（EDS）、表面粗糙度變化。*預(yù)期結(jié)果分析：評估紫外線對鈦合金表面氧化過程的影響，特別是對氧化膜結(jié)構(gòu)和均勻性的作用。對比純熱氧化和純UV輻照的結(jié)果，判斷協(xié)同效應(yīng)。（3）電子輻照+真空測試：*模擬條件：高真空環(huán)境，使用電子加速器提供不同能量和通量的電子束模擬空間粒子輻照，同時可能伴隨加熱（如200°C-300°C）。*主要觀測指標(biāo)：輻照劑量效應(yīng)（不同通量樣品的對比）、表面微結(jié)構(gòu)變化（TEM）、輻照損傷分析（RBS、SIMS）、氧化行為對比（與未輻照樣品在相同真空熱氧化條件下的對比）。*預(yù)期結(jié)果分析：研究電子輻照對鈦合金表面物理化學(xué)性質(zhì)的影響，以及這種影響如何進(jìn)一步作用于其真空氧化行為。評估輻照引入的缺陷對氧化膜形成和穩(wěn)定性的作用。結(jié)果分析與壽命預(yù)測：綜合三種模