2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——太空環(huán)境下的材料工程考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述太空環(huán)境中主要的物理因素及其對材料可能產(chǎn)生的典型影響。二、解釋什么是總劑量輻射損傷？簡述其對半導(dǎo)體材料性能的主要不利影響。三、描述金屬材料在太空真空環(huán)境下的主要失效模式，并說明其發(fā)生的主要原因。四、什么是熱疲勞？在航天器中，哪些部件容易發(fā)生熱疲勞失效？簡述其機理。五、原子氧侵蝕是空間環(huán)境中對哪些材料構(gòu)成主要威脅？簡述其侵蝕機理。六、選擇航天結(jié)構(gòu)材料時，通常需要考慮哪些關(guān)鍵性能指標(biāo)？并說明選擇原則。七、簡述涂層技術(shù)在提高材料抗空間輻射性能方面的工作原理及其主要類型。八、某航天部件需要在強原子氧和溫度循環(huán)環(huán)境下工作，請分別說明這兩種環(huán)境因素對該部件可能產(chǎn)生的獨立影響，并簡述為提高其服役壽命，可以采取哪些主要的材料或結(jié)構(gòu)防護措施。九、論述選擇用于制造衛(wèi)星太陽能電池板材料時，需要重點考慮哪些性能要求，并比較硅基太陽能電池材料在太空長期服役面臨的主要挑戰(zhàn)及相應(yīng)的緩解策略。十、結(jié)合具體實例，說明一種空間應(yīng)用陶瓷材料（如碳化硅、氮化硅）的優(yōu)勢及其在航天領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向，并分析其在太空環(huán)境下可能面臨的主要挑戰(zhàn)。試卷答案一、太空環(huán)境中主要的物理因素包括：輻射（高能粒子、X射線、伽馬射線）、溫度（極端高溫、低溫、熱循環(huán)）、真空、原子氧、微流星體/空間碎片撞擊、等離子體環(huán)境等。這些因素對材料可能產(chǎn)生的典型影響有：輻射損傷（引起電離、產(chǎn)生缺陷、改變性能）、熱疲勞（循環(huán)熱應(yīng)力導(dǎo)致裂紋）、原子氧侵蝕（特別是對聚合物和鋁合金）、真空效應(yīng)（吸氣、出氣、材料揮發(fā)）、濺射（原子或分子被轟擊轉(zhuǎn)移到表面）、電化學(xué)腐蝕（在特定條件下）、微裂紋擴展（由多種因素誘發(fā)）、材料性能老化等。二、總劑量輻射損傷是指材料（尤其是含有輕元素的絕緣體和半導(dǎo)體）在受到長時間電離輻射累積作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生大量離子-空穴對等缺陷，導(dǎo)致材料電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等性能發(fā)生不可逆劣化的現(xiàn)象。其對半導(dǎo)體材料的主要不利影響包括：電導(dǎo)率增加（載流子濃度升高）、開路電壓降低、短路電流降低、填充因子減小、轉(zhuǎn)換效率下降、器件壽命縮短甚至失效。三、金屬材料在太空真空環(huán)境下的主要失效模式包括：吸氣（材料釋放出氣體原子或分子進入真空，導(dǎo)致材料性能改變、器件漏氣）、出氣（材料中的氣體在真空作用下被釋放出來，可能污染其他部件）、材料揮發(fā)（固體材料直接升華為氣體）、陽極溶解（在某些電解質(zhì)環(huán)境下發(fā)生電化學(xué)腐蝕）、以及由于吸氣、出氣、揮發(fā)導(dǎo)致的質(zhì)量損失和結(jié)構(gòu)變化。這些失效主要是由真空的低壓特性以及材料自身的熱發(fā)射和化學(xué)活性引起的。四、熱疲勞是指材料在反復(fù)的、大幅度的溫度變化作用下，由于熱脹冷縮不均勻或熱應(yīng)力超過材料承受能力，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力，最終引發(fā)裂紋萌生和擴展，進而導(dǎo)致材料或結(jié)構(gòu)失效的現(xiàn)象。在航天器中，太陽帆板、天線、結(jié)構(gòu)件、熱控涂層等經(jīng)常經(jīng)歷劇烈的溫度循環(huán)，是熱疲勞失效的高發(fā)部件。其機理主要是溫度梯度引起的熱應(yīng)力/應(yīng)變循環(huán)。五、原子氧侵蝕主要對聚合物、鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料構(gòu)成嚴(yán)重威脅。其侵蝕機理是空間環(huán)境中高能量、高速度的原子氧分子（O）與材料表面發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)。物理機制主要是高速原子氧與材料表面原子發(fā)生動量交換和濺射；化學(xué)機制主要是原子氧與材料表面發(fā)生氧化或其他化學(xué)反應(yīng)，破壞表面化學(xué)鍵和結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料變薄、表面粗糙化、性能下降。原子氧的化學(xué)活性（與材料基團反應(yīng)）和空間運動速度是侵蝕的關(guān)鍵因素。六、選擇航天結(jié)構(gòu)材料時，通常需要考慮的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括：高比強度（強度/密度）、高比模量（模量/密度）、優(yōu)異的抗疲勞性能、良好的抗輻射性能、高真空穩(wěn)定性、良好的耐熱性（高溫或熱循環(huán)）、抗腐蝕性、低蠕變性、易于加工制造性、以及成本效益等。選擇原則是在滿足特定應(yīng)用環(huán)境和性能要求的前提下，優(yōu)先選用高比強度、高比模量、高可靠性的材料，并綜合考慮材料的可制造性、可維護性、任務(wù)壽命、環(huán)境適應(yīng)性和經(jīng)濟性。七、涂層技術(shù)在提高材料抗空間輻射性能方面的工作原理主要是通過在材料表面制備一層或多層具有特定功能的薄膜，利用該涂層吸收、散射、阻止或緩釋入射的輻射能量，或者通過改變材料表面的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)來增強其對輻射的抵抗能力。主要類型包括：低原子序數(shù)涂層（如碳、氮化物）用于減少軔致輻射和散射，鈍化涂層（如氧化層、SiN）用于保護半導(dǎo)體材料免受離子注入損傷，高原子序數(shù)重離子注入形成的防護層，以及能夠有效屏蔽或緩解輻射損傷的復(fù)合材料涂層等。八、原子氧對材料的影響主要是通過化學(xué)侵蝕和物理濺射，導(dǎo)致材料表面逐漸變薄、質(zhì)量損失和性能下降，尤其對涂層、聚合物、輕金屬等敏感。溫度循環(huán)對材料的影響主要是產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致熱疲勞裂紋萌生和擴展，使材料或結(jié)構(gòu)強度降低、壽命縮短。為提高部件在強原子氧和溫度循環(huán)環(huán)境下的服役壽命，可以采取的主要防護措施包括：選擇本身就具有高抗原子氧性和高抗熱疲勞性的材料（如特種合金、陶瓷基復(fù)合材料）；表面涂覆防護涂層（如SiC、SiN、聚合物涂層）；采用多層防護結(jié)構(gòu)（如涂層+背涂層）；優(yōu)化設(shè)計以減小溫度梯度，降低熱疲勞應(yīng)力；采用柔性設(shè)計或減震措施來緩解環(huán)境載荷。九、選擇用于制造衛(wèi)星太陽能電池板材料時，需要重點考慮的性能要求主要有：高光轉(zhuǎn)換效率（將入射光能轉(zhuǎn)化為電能的效率）；良好的耐空間輻射性能（抗總劑量輻照和位移損傷，保持高效率）；高耐溫性（能在太陽直射和陰影區(qū)極端溫差下穩(wěn)定工作）；高穩(wěn)定性（抗原子氧侵蝕、熱循環(huán)、紫外線老化等）；長壽命（設(shè)計壽命長）；輕質(zhì)（高能量密度）；低成本等。硅基太陽能電池材料在太空長期服役面臨的主要挑戰(zhàn)是總劑量輻射損傷導(dǎo)致載流子壽命縮短、開路電壓下降、轉(zhuǎn)換效率降低，以及單晶硅對原子氧較為敏感。緩解策略包括：使用抗輻射性能更好的材料（如非晶硅、多晶硅、或引入能鈍化缺陷的摻雜物）；優(yōu)化電池設(shè)計（如增加鈍化層）；采用冗余設(shè)計或功率管理策略；選擇具有更高原子序數(shù)的背反射層材料等。十、以碳化硅（SiC）陶瓷為例，其優(yōu)勢在于：極高的硬度、耐磨性；優(yōu)異的高溫性能（高溫強度高、熱導(dǎo)率高）；良好的抗輻射性能（原子序數(shù)較高，總劑量和位移損傷容忍度較好）；化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕；熱導(dǎo)率高，有助于散熱；與SiC半導(dǎo)體材料兼容性好。SiC陶瓷在航天領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向包括：高溫結(jié)構(gòu)部件（如熱氣舵、噴管部件、渦輪葉片）、耐磨部件（