说到腐蚀

大家可能并不陌生，因为在我们生活中，它每时每刻都在发生。例如厨房铁锅的生锈，碳酸饮料对牙齿的腐蚀，街道护栏的风化开裂等等。 看到“太空腐蚀”，你是不是会很诧异——太空既然是高真空环境、没有水的存在，航天器应该不会像地球上那样腐蚀吧？

但事实却是，太空的腐蚀性远大于地球！

比如作为美俄国际空间站合作计划一部分的“和平号”空间站，实际在轨工作的十多年时间里，共发生近2000处故障，其中70%的外体遭到腐蚀。

前苏联研制的和平号空间站。图片来源：新华网

说到这里你可能要问了，究竟是什么原因造成太空中航天材料的腐蚀失效呢？

太空除了浩瀚壮观之外，到处都存在着人类肉眼所看不见的宇宙辐射。它既包括宇宙大爆炸后所残留的热辐射，同时也包括其他天体向外释放的电磁波、高能粒子甚至是宇宙射线。 

这些宇宙辐射对人体是致命的，我们在地球之所以能正常生活，是因为地球磁场与大气层对宇宙辐射的偏折和吸收作用。 

因而出了地球，人类必须穿宇航服，宇航服的造价是极其昂贵的。如2003年神舟五号的舱内宇航服需要20万，而舱外宇航服需要大约2亿人民币，还只能用5次！

当然，面对太空中如此高强度的辐射，航天器也会“深受其害”。主要包括两方面：

一是太阳所释放的紫外线辐射是引起航天器腐蚀失效的原因之一。尽管紫外线只占太阳光的5%左右，但是能量却很大。太空中，由于缺少地球磁场及大气层的“保护屏障”，航天器表面的高分子材料在吸收紫外线后会引发聚合物的自我氧化、降解。另外，紫外线中的单个光子所具有的能量足以破坏聚合物间的化学键，使其断裂、交联，从而导致聚合物材料性能的急剧下降。因此，为了尽可能的削弱宇宙辐射对航天器的影响，人类航天任务的发射甚至会刻意避开太阳耀斑活动频繁的时间周期。

二是当航天器刚刚脱离地球表面大气层的保护，首先接触的便是低地球轨道环境（距离地球200~700km），该区域所处的残余大气中，氧含量约占总组分的80%。众所周知，氧元素是造成材料腐蚀加速的重要条件。而在太阳短波辐射的光致分解作用下，氧分子转变为高活性的原子氧，由于处于高真空及极低的气体总压状态下，氧原子与其他粒子发生碰撞的几率很小，导致氧原子很难再次复合成分子态。当高速运行的航天器与原子氧发生剧烈的摩擦、碰撞时，航天器表面的聚合物材料会发生高温氧化反应，使其电学、光学以及力学性能等方面发生退化，甚至会引起明显的剥蚀效应，严重影响航天器的运行安全。

通过上面的介绍我们可以发现，在如此复杂的太空环境中，航天器的腐蚀根本无法避免。并且，有关数据显示，一架航天飞机的维修成本甚至远高于其制作成本和发射成本。因此，采用科学的手段抑制航天器在太空中的腐蚀问题势在必行。

首先便是选择和发展耐热、耐极低温、耐热震、抗疲劳、抗腐蚀的高性能材料，世界各国的科学家也正为此不断的努力探索。

此外，结合不同材料的用途及其实际服役环境，采用合适的表面处理技术显得更为重要。因为性能优异的防护涂层不仅可以提高航天材料的功能性，包括耐高温、隔热、抗腐蚀、抗氧化、抗辐射等，同时也可以延长航天器的使用寿命，节省维修成本。

然而，与地面装备表面防护不同的是，由于有机涂层在真空环境中会出现放气、老化脱落等一系列问题，航天材料一般不会使用有机涂层进行防腐，而主要采用的表面技术包括化学/电化学沉积、化学/电化学氧化、无机涂层以及特种薄膜制备等等。

镁合金，作为地球上最轻的金属结构材料，拥有比强度高、导电性强、电磁屏蔽性好等优点，在航天领域的使用上具有先天的优势。为了实现减重的目的，我们熟知的神州、天宫、嫦娥等系列航天器中，均大量使用镁合金。

镁合金的其他应用

01 国防工业

现代战争需要军队具有远程快速部署运动的能力，要求武器装备轻量化，在手持式武器、装甲战车、运输车、航空制导武器上将大量采用轻金属材料。

轻量化是提高武器装备作战性能的重要方向。镁所具有的轻质特性决定了镁合金是生产航天飞行器、军用飞机、导弹、高机动性能战车、船舶的必不可少的结构材料，如可做火箭头、导弹点火头、航天器元部件以及照明弹等。因此，大力开发镁合金应用范围是国防现代化的需要。

02 钢铁工业

镁目前主要用于冶金工业的铸造、钢铁脱硫等。

随着汽车工业、石油、天然气管线、海洋钻井平台、桥梁建筑等领域用高强度低硫钢的需求不断增加，近几年，我国鞍钢、宝钢、武钢、本钢、包钢、攀钢、首钢等钢铁企业已经用镁粉深脱硫，获得优质钢，取得良好效果。镁粉用于钢铁脱硫，具有巨大的潜在市场。

03 汽车工业

镁是最轻的结构金属材料之一，又具有比强度和比刚度高、阻尼性强和切削性好、易于回收等优点。国内外将镁合金应用于汽车行业，以减重、节能、降低污染，改善环境。

目前，全球镁合金消费量最大的是汽车行业，为减轻汽车总重，镁合金压铸件在汽车上的使用愈来愈多，包括仪表盘、方向盘、变箱、油底、气缸罩、座椅架及轮毂等多个关键零部件。

根据统计资料，2003年美国平均每辆汽车镁合金的使用量已达60千克左右，美国汽车材料协会（USAMP）预计到2020年北美生产的每辆汽车镁合金用量将达到约160千克。目前，中国镁合金在汽车工业的使用情况仍处于起步阶段。发达国家汽车百公里耗油最终将实现3升的目标，欧洲汽车用镁占镁总消耗量的14%，预计今后将以15%～20%的速度递增。数据显示，全球镁合金在汽车压铸件方面的增长率连续多年保持在15％的水平，是当前及未来新的产业亮点。

我国东风、长安等汽车已开始用镁合金，不久以后重庆、成都等地将成为我国汽车用镁合金研究与开发应用的生产基地。因此，全面推动汽车使用镁合金制品将成为来新材料产业的重要发展方向。

04 其他应用

镁的轻质及其作为牺牲阳极可以有效防止金属腐蚀等特性，使其广泛用在地下铁制管道、石油管道、储罐、海上设施、民用等。

此外，镁粉还用于制造化工产品、药烟火、信号照明弹、金属还原剂、油漆涂料、焊丝以及供球墨铸铁用的球化剂等。

镁易燃，所以可用作照明弹，其原理是照明弹中装有镁铝和硝酸钠、硝酸钡等物质。引爆后，镁在空气中迅速燃烧，放出含紫外线的耀眼白光，同时放出热量使硝酸盐分解。

与塑料相比，镁合金具有重量轻、比强度高、减振性好、热疲劳性能好、不易老化，又有良好的导热性、电磁屏蔽能力强、非常好的压铸工艺性能，尤其易于回收等优点，是替代钢铁、铝合金和工程塑料的新一代高性能结构材料。

为适应电子、通讯器件高度集成化和轻薄小型化的发展趋势，镁合金是交通、电子信息、通讯、计算机、声像器材、手提工具、电机、林业、纺织、核动力装置等产品外壳的理想材料。

发达国家非常重视镁合金的开发与应用，尤其在汽车零部件、笔记本电脑等便携电子产品的应用，每年以20%的速度增长，非常引人注目，发展速度惊人。

我国青岛作为家电城，先后投资2.1~3.5亿人民币生产制造手机外壳、数码相机、手提电脑、掌上电脑外壳，高级视听器材外壳等产品，年产1600万件铸件产品，成为第一个镁合金开发应用产业化基地。

镁合金型材、管材还用于制作自行车架、轮椅、康复和医疗器械等。

镁合金的新进展

01 耐热镁合金

耐热性差是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一，当温度升高时，它的强度和抗蠕变性能大幅度下降，使它难以作为关键零件（如发动机零件）材料在汽车等工业中得到更广泛的应用。己开发的耐热镁合金中所采用的合金元素主要有稀土元素（RE）和硅（Si）。稀土是用来提高镁合金耐热性能的重要元素。含稀土的镁合金QE22和WE54具有与铝合金相当的高温强度，但是稀土合金的高成本是其被广泛应用的一大阻碍。

02 耐蚀镁合金

镁合金的耐蚀性问题可通过两个方面来解决：

①严格限制镁合金中的Fe、Cu、Ni 等杂质元素的含量。例如，高纯AZ91HP镁合金在盐雾试验中的耐蚀性大约是AZ91C的100倍，超过了压铸铝合金A380，比低碳钢还好得多。

②对镁合金进行表面处理。根据不同的耐蚀性要求，可选择化学表面处理、阳极氧化处理、有机物涂覆、电镀、化学镀、热喷涂等方法处理。例如，经化学镀的镁合金，其耐蚀性超过了不锈钢。

03 阻燃镁合金

镁合金在熔炼浇铸过程中容易发生剧烈的氧化燃烷。实践证明，熔剂保护法和SF6、SO2、CO2、Ar等气体保护法是行之有效的阻燃方法，但它们在应用中会产生严重的环境污染，并使得合金性能降低，设备投资增大。纯镁中加钙能够大大提高镁液的抗氧化燃烧能力，但是由于添加大量钙会严重恶化镁合金的力学性能，使这一方法无法应用于生产实践。铰可以阻止镁合金进一步氧化，但是铰含量过高时，会引起晶粒粗化和增大热裂倾向。

04 高强高韧镁合金

现有镁合金的常温强度和塑韧性均有待进一步提高。在Mg-Zn和Mg-Y合金中加入Ca、Zr 可显著细化晶粒，提高其抗拉强度和屈服强度；加人Ag和Th能够提高Mg-RE-Zr合金的力学性能，如含Ag的QE22A合金具有高室温拉伸性能和抗蠕变性能，已广泛用作飞机、导弹的优质铸件；通过快速凝固粉末冶金、高挤压比及等通道角挤等方法，可使镁合金的晶粒处理得很细，从而获得高强度、高塑性甚至超塑性。

05 镁合金成形技术

镁合金成形分为变形和铸造两种方法，当前主要使用铸造成形工艺。压铸是应用最广的镁合金成形方法。

近年来发展起来的镁合金压铸新技术有真空压铸和充氧压铸，前者已成功生产出AM60B镁合金汽车轮毅和方向盘，后者也己开始用于生产汽车上的镁合金零件。