2025年大学《空间科学与技术》专业题库- 太空环境下的材料工程

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——太空环境下的材料工程考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述太空环境中主要的物理因素及其对材料可能产生的典型影响。二、解释什么是总剂量辐射损伤？简述其对半导体材料性能的主要不利影响。三、描述金属材料在太空真空环境下的主要失效模式，并说明其发生的主要原因。四、什么是热疲劳？在航天器中，哪些部件容易发生热疲劳失效？简述其机理。五、原子氧侵蚀是空间环境中对哪些材料构成主要威胁？简述其侵蚀机理。六、选择航天结构材料时，通常需要考虑哪些关键性能指标？并说明选择原则。七、简述涂层技术在提高材料抗空间辐射性能方面的工作原理及其主要类型。八、某航天部件需要在强原子氧和温度循环环境下工作，请分别说明这两种环境因素对该部件可能产生的独立影响，并简述为提高其服役寿命，可以采取哪些主要的材料或结构防护措施。九、论述选择用于制造卫星太阳能电池板材料时，需要重点考虑哪些性能要求，并比较硅基太阳能电池材料在太空长期服役面临的主要挑战及相应的缓解策略。十、结合具体实例，说明一种空间应用陶瓷材料（如碳化硅、氮化硅）的优势及其在航天领域的主要应用方向，并分析其在太空环境下可能面临的主要挑战。试卷答案一、太空环境中主要的物理因素包括：辐射（高能粒子、X射线、伽马射线）、温度（极端高温、低温、热循环）、真空、原子氧、微流星体/空间碎片撞击、等离子体环境等。这些因素对材料可能产生的典型影响有：辐射损伤（引起电离、产生缺陷、改变性能）、热疲劳（循环热应力导致裂纹）、原子氧侵蚀（特别是对聚合物和铝合金）、真空效应（吸气、出气、材料挥发）、溅射（原子或分子被轰击转移到表面）、电化学腐蚀（在特定条件下）、微裂纹扩展（由多种因素诱发）、材料性能老化等。二、总剂量辐射损伤是指材料（尤其是含有轻元素的绝缘体和半导体）在受到长时间电离辐射累积作用下，其内部产生大量离子-空穴对等缺陷，导致材料电学、光学、力学等性能发生不可逆劣化的现象。其对半导体材料的主要不利影响包括：电导率增加（载流子浓度升高）、开路电压降低、短路电流降低、填充因子减小、转换效率下降、器件寿命缩短甚至失效。三、金属材料在太空真空环境下的主要失效模式包括：吸气（材料释放出气体原子或分子进入真空，导致材料性能改变、器件漏气）、出气（材料中的气体在真空作用下被释放出来，可能污染其他部件）、材料挥发（固体材料直接升华为气体）、阳极溶解（在某些电解质环境下发生电化学腐蚀）、以及由于吸气、出气、挥发导致的质量损失和结构变化。这些失效主要是由真空的低压特性以及材料自身的热发射和化学活性引起的。四、热疲劳是指材料在反复的、大幅度的温度变化作用下，由于热胀冷缩不均匀或热应力超过材料承受能力，导致内部产生循环应力，最终引发裂纹萌生和扩展，进而导致材料或结构失效的现象。在航天器中，太阳帆板、天线、结构件、热控涂层等经常经历剧烈的温度循环，是热疲劳失效的高发部件。其机理主要是温度梯度引起的热应力/应变循环。五、原子氧侵蚀主要对聚合物、铝合金、镁合金等轻质材料构成严重威胁。其侵蚀机理是空间环境中高能量、高速度的原子氧分子（O）与材料表面发生物理或化学反应。物理机制主要是高速原子氧与材料表面原子发生动量交换和溅射；化学机制主要是原子氧与材料表面发生氧化或其他化学反应，破坏表面化学键和结构，导致材料变薄、表面粗糙化、性能下降。原子氧的化学活性（与材料基团反应）和空间运动速度是侵蚀的关键因素。六、选择航天结构材料时，通常需要考虑的关键性能指标包括：高比强度（强度/密度）、高比模量（模量/密度）、优异的抗疲劳性能、良好的抗辐射性能、高真空稳定性、良好的耐热性（高温或热循环）、抗腐蚀性、低蠕变性、易于加工制造性、以及成本效益等。选择原则是在满足特定应用环境和性能要求的前提下，优先选用高比强度、高比模量、高可靠性的材料，并综合考虑材料的可制造性、可维护性、任务寿命、环境适应性和经济性。七、涂层技术在提高材料抗空间辐射性能方面的工作原理主要是通过在材料表面制备一层或多层具有特定功能的薄膜，利用该涂层吸收、散射、阻止或缓释入射的辐射能量，或者通过改变材料表面的化学成分和结构来增强其对辐射的抵抗能力。主要类型包括：低原子序数涂层（如碳、氮化物）用于减少轫致辐射和散射，钝化涂层（如氧化层、SiN）用于保护半导体材料免受离子注入损伤，高原子序数重离子注入形成的防护层，以及能够有效屏蔽或缓解辐射损伤的复合材料涂层等。八、原子氧对材料的影响主要是通过化学侵蚀和物理溅射，导致材料表面逐渐变薄、质量损失和性能下降，尤其对涂层、聚合物、轻金属等敏感。温度循环对材料的影响主要是产生热应力，导致热疲劳裂纹萌生和扩展，使材料或结构强度降低、寿命缩短。为提高部件在强原子氧和温度循环环境下的服役寿命，可以采取的主要防护措施包括：选择本身就具有高抗原子氧性和高抗热疲劳性的材料（如特种合金、陶瓷基复合材料）；表面涂覆防护涂层（如SiC、SiN、聚合物涂层）；采用多层防护结构（如涂层+背涂层）；优化设计以减小温度梯度，降低热疲劳应力；采用柔性设计或减震措施来缓解环境载荷。九、选择用于制造卫星太阳能电池板材料时，需要重点考虑的性能要求主要有：高光转换效率（将入射光能转化为电能的效率）；良好的耐空间辐射性能（抗总剂量辐照和位移损伤，保持高效率）；高耐温性（能在太阳直射和阴影区极端温差下稳定工作）；高稳定性（抗原子氧侵蚀、热循环、紫外线老化等）；长寿命（设计寿命长）；轻质（高能量密度）；低成本等。硅基太阳能电池材料在太空长期服役面临的主要挑战是总剂量辐射损伤导致载流子寿命缩短、开路电压下降、转换效率降低，以及单晶硅对原子氧较为敏感。缓解策略包括：使用抗辐射性能更好的材料（如非晶硅、多晶硅、或引入能钝化缺陷的掺杂物）；优化电池设计（如增加钝化层）；采用冗余设计或功率管理策略；选择具有更高原子序数的背反射层材料等。十、以碳化硅（SiC）陶瓷为例，其优势在于：极高的硬度、耐磨性；优异的高温性能（高温强度高、热导率高）；良好的抗辐射性能（原子序数较高，总剂量和位移损伤容忍度较好）；化学稳定性好，耐腐蚀；热导率高，有助于散热；与SiC半导体材料兼容性好。SiC陶瓷在航天领域的主要应用方向包括：高温结构部件（如热气舵、喷管部件、涡轮叶片）、耐磨部件（