非晶合金在空间环境中适应性分析与应用展望



非晶合金材料的空间环境中适应性分析


       空间环境存在高真空、强辐射、原子氧剥蚀、温差大、碎片多等复杂情况,对非晶合金材料的可靠性和寿命有着严峻挑战。


热循环


       空间环境中的热循环可以使得非晶合金整体能量升高,增加其流变单元的含量,易于产生变形剪切带,同时可提高其结构无序度,出现了rejuvenation(恢复)效应,可有利于提高非晶合金的综合力学性能。


抗辐照性能


       空间辐射环境产生电离化的电离辐射和高能带电粒子,前者来自太阳(紫外线、X射线等),后者来自太阳耀斑(主要是质子),以及地球辐射带,这些辐照粒子会将能量传递给材料,引起原子电离或位移,产生缺陷,从而使其失效。晶体材料经过粒子辐照,粒子与原子的各种碰撞效应导致受激发原子的自由迁移,再通过撞击其他原子产生级联效应,导致在晶界中产生缺陷,逐渐产生材料宏观上的结构损伤和性能失效。非晶合金材料的特殊无序结构使辐照诱导缺陷的产生、长大以及缺陷集中缺少了结构条件。非晶合金材料的无序结构比有序结构可能更适用于辐照环境。


抗冷焊性能


       当航天器处于超高真空环境时,航天器运动部件的表面清洁、无污染金属接触面间原子键结合会造成粘接,金属活动部件间面过度摩擦会造成凸点处局部焊接,这两种现象会导致金属撕落、转移,并进一步造成接触面粗糙度增加,这种现象被称为冷焊效应。非晶合金因其特殊的原子结构具有较低的材料表面摩擦系数和粘着系数,可有效防止空间中冷焊现象的发生。


抗原子氧剥蚀能力


       航天飞行器运行的低地球轨道中富含高活性、高氧化性的原子氧,能够与空间材料发生氧化还原反应,造成表面材料的剥蚀及材料性能退化,进而影响飞行器的使用寿命。相比于晶态金属材料,非晶合金由于不含晶界、位错等结构缺陷,具有良好的抗原子氧剥蚀性能。


非晶合金材料的空间应用展望


航天器Whipple防护装置


       JPL实验室曾报道,利用多层非晶合金薄带搭建的防护装置可有效抵抗超高速撞击实验,具有更优异的“吸能”能力,有望替换卫星防护装置中的Nextel和Kevlar织物。


非晶合金反射镜


       非晶合金材料因为特殊的原子结构,可获得原子层级的表面粗糙度。同时,非晶合金材料具有较低的热膨胀系数以及优秀的精密成型性能,有望作为空间反射镜或者激光器反射镜实现空间的应用。


非晶合金“太阳风捕集器”


       利用非晶合金的混乱无序密堆排列的原子结构,不存在晶体材料中的“通道效应”,可有效截留住空间中的高能粒子。NASA曾在“Genesis”宇宙飞船采用大块非晶合金圆盘作为收集太阳风(等离子体)的载体,探索太空等离子的变化机制和对地球的影响机制,保障航天活动和地球通信、电网等设施正常运行。同时,太阳风中的成分,大部分是氢离子(也就是质子)和电子,也有其他重离子和同位素。这些重离子和同位素能提供太阳系形成时的一些信息。


非晶合金柔性机构零部件


       JPL实验室多次报道利用非晶合金材料的高强度、低弹性模量以及较大的弹性变形极限,制备柔性机构(Compliant Mechanism)的零部件。可研制非晶合金谐波齿轮(航天器机械臂关节减速器)、碟形弹簧、弹性多孔金属橡胶(减震)等空间应用零部件。


标题为编者制作。

原标题:《“高熵效应”对于非晶合金材料性能的影响》

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