文/大壮

编辑/大壮

碘作为电力推进 (EP) 系统的替代推进剂越来越受欢迎，与现有的氙气相比具有多项优势。然而，碘也是一种反应性和腐蚀性元素。

因此，鉴于典型的太空任务持续数年，需要为 EP 系统本身以及卫星上使用的组件仔细选择材料。今天，EP 系统用于从纳米卫星到大型卫星的各种卫星，甚至被视为载人深空任务的主要推进系统.EP 中使用最广泛的推进剂是重惰性气体氙气。然而，氙气是一种稀缺资源，因此价格昂贵。

碘是一种可能的替代品，因为它也是一种重原子，但比氙气便宜得多。此外，碘不需要加压储罐，这进一步降低了总成本，并且更容易在小型卫星中实施。但是碘的腐蚀性能以及潜在的危险仍需探索。在下面的研究中，我们将关注碘对各种不同金属的腐蚀作用。

如何模拟卫星空间环境?

在卫星运行期间，标准航天器组件的温度通常在−100到+ 100°C之间。高温通常会促进化学反应;因此，我们在实验中选择了+ 100°C的上限，因为它代表了最坏的情况。此外，在操作碘补给EP系统时，卫星的不同部分暴露在不同的碘分压下。推进剂供给系统内部的典型分压为2至6kpa，而推进器内部的分压为1至2.5 Pa。在推进器外，烟羽内典型的碘分压将约为1e- 3pa，并将随着距离卫星的增加而降低，直至高真空条件。对应的情况如图1所示。

化学反应发生的先决条件是反应物相互接触。这意味着在微观上，反应伙伴之间发生了碰撞。在我们的例子中，其中一个反应伙伴是一个表面原子，它与固体的其他原子结合在一起，而另一个是围绕卫星的大气中的微观物种，并与卫星表面相撞。以碘为推进剂的电推力器基本上产生了四种微观物种，例如射频离子推力器(RIT)。这些是中性原子I和分子I2以及相应的电离物质I+和I2+。

分子碘离子和原子碘离子，I+和I2+，在大气的表面侵蚀中起着很小的作用，因为离子推进器的等离子体通常是低温等离子体。例如，以碘作为推进剂运行的RITs的全球建模显示，等离子体容器内只有百分之几的物种被电离，其他都是中性物种。通过扩散或通过RIT的网格系统提取的物种离开等离子体容器也可以假设是这样的。离子型和中性型的主要区别在于前者以高速远离推进器，通常为10公里/秒。

因此，离子物种返回卫星的可能性相当低，特别是当离子束也被电子中和时。因此，如果从推进器中提取的离子束直接击中卫星表面，离子只会造成侵蚀或溅射。这只会在无意中或系统故障时发生。然而，对金属和其他样品的离子溅射实验表明，在典型离子能量为1000 eV时，具有相当质量的I+和Xe+离子蚀刻的效果相当相似。

氙离子用于比较，因为Xe仍然是最常用的EP推进剂。蚀刻结果的相似性表明，蚀刻过程不是化学的，而是主要的物理碰撞。因此，中性物质主导了推进器和卫星周围的碘大气的化学行为。有两种中性物质形成了卫星周围的大气，分子I2和原子i。在RIT内部的碘等离子体中，两种中性物质出现的数量大致相同，而在我们的碘气体处理中，我们几乎100%有I2。在推进器周围的大气中，原子碘在与I2碰撞时发生反应，因此，将低于推进器内部。然而，不能排除在大气中建立的稳定状态下，原子碘仍然存在。

大气中碘的含量取决于推进器的运行条件和任务场景。如果推进器不工作，大气就会变成I2气体。我们将表明，这在我们的考虑中并不重要，因为热化学的考虑对两种金属的反应产生了巨大的负吉布斯自由能变化，这表明几乎每次碰撞都会引发化学反应，而反反应是极不可能的。因此，用纯I2气体处理金属表面或用含少量I的I2气体处理金属表面应产生类似的结果。因此，下面我们只考虑I2作为金属的反应。

如上所述，I2分子与表面发生碰撞是I2分子与表面金属原子发生化学反应的前提条件。在低温下，I2分子甚至可能被吸附。而在选定的100℃温度下，饱和蒸汽压为p* = 6 kPa，远高于卫星环境的预期压力。因此，可以排除碘分子在表面的吸附作用，碘分子与表面的主要接触机制将是碰撞。并不是每次碰撞都会导致化学反应。然而，在给定的时间跨度内发生化学反应的可能性与气体分子与每表面积表面的碰撞频率成正比，即粒子电流密度和暴露时间Δt。假设理想气体方程有效，可以描述撞击表面的粒子电流密度JCollision

其中T是绝对温度，p是气体组分的分压，这里是碘I2, kB是斯特凡-玻尔兹曼常数，M是气体组分的分子质量(在I2的情况下，254 u = 4.22e-25 kg)。

模拟碘对固体影响的地面实验将在体积为V的容器内进行（见图2)。考虑到之间没有发生化学反应化学惰性气体混合物Ar和I2,分别描述所两个物种,理想气体方程piV = NikBT (i = 1、2),π和倪表示分压和粒子数,分别总压强是ptt = p1 + p2的分压之和。这种关系适用于碘和氩的混合气体，尽管碘的反应性很强，如果我们假设是理想气体溶液。

元素金属分析

图4显示了元素金属样品在未处理状态和碘处理后的照片，根据场景 4，最粗糙的场景，对应于在 0.1 Pa 的空间碘气氛中暴露 10 年。在碘处理过程中，Al、Fe、Ni 和 Ti 元素的光学外观发生了显着变化，这表明在处理过程中它们的表面发生了与碘的化学反应。元素 Cr、Mo、Ta、Nb 和 W 似乎与碘的反应要少得多，因为它们的光学外观没有显着变化。

合金分析

实验表明大多数金属合金的主要成分（如 Al、Fe 和 Ti）与碘发生强烈反应，而大多数测试的合金的次要成分，如元素 Cr、Ni、Mo、W , 或 Ta 不受碘处理的影响。在我们的实验中，所有研究的合金样品（不锈钢和铝合金）最终都会随着碘暴露时间的延长而改变其光学外观，如图下图所示，表明与碘发生化学反应。例如不锈钢样品 1.4544 或铝合金AW-7075。许多样品的调查 XPS 光谱显示出明显的碘信号，证明了表面的碘污染。因此，碘的量必须达到一定的阈值才能对样品产生明显的视觉效果，因为不同的处理方案不会改变碘与相应元素之间的化学反应。

结论

我们定义并证明了一个测量协议，使我们能够模拟卫星组件在典型任务场景中所经历的条件，并提取出在10年任务期间造成的损害的上限。在这种干燥、不潮湿的环境中，低碘分压低于1e- 1pa，预计任务持续时间为10年，Cr、Mo、Ni、Ta和W等元素金属可以抵抗碘的单质形式。而类似Cu的Nb、Al、Ti和Fe在此条件下与碘反应强烈。我们的结果证实了Beck et al.的发现，对碘的反应活性由Fe经Ni降低到Cr，在这些条件下处理al和Ti时，化学反应产物甚至会导致表面脆性和表面附近材料结构完整性的恶化。尽管如此，腐蚀可以被认为是表面效应，尽管任务持续时间很长。根据最苛刻的条件处理的不锈钢，腐蚀层的最大深度约为20 μm。

我们还研究了金属合金，特别是各种不锈钢和铝合金。铁和铝这两种合金的主要元素成分都能与碘反应。对于所研究的铝合金，合金中起次要作用的元素是Zn、Mg和Cu，这三种元素都能与碘发生强烈反应[17,39]。因此，在碘处理下，铝合金基本表现为单质铝金属也就不足为奇了。在不锈钢1.4546(含Cr、Ni、Nb)和1.4546(含Cr、Ni、Ti)中加入少量抗碘元素Cr、Mo、Ni、Ta或W进行合金化，并不能弥补碘对不锈钢主要成分Fe的影响。事实甚至证明，不锈钢中的铬会与碘发生反应，尽管它对铬金属中的碘具有抗性。这反映了一个基本知识，即化学元素在给定条件下的反应活性不仅取决于反应伙伴(这里是碘)，而且还取决于元素的原子近邻环境。

换句话说，在相应的金属中，用其他Cr原子包围一个Cr原子构成了一个稳定的环境，可以抑制与碘的反应。特别是，我们的实验表明，原生氧化物，例如，在Al的情况下，不足以抑制碘和Al之间的反应。由于氧是一种比碘更强的氧化剂，这表明原生Al2O3层不够致密，无法提供合适的保护层，因为它可以被碘克服。然而，我们已经证明，即使是Ti或Al等高活性材料，在预计暴露时间为10年的低碘分压低于1e- 3pa的情况下(场景1和2)，碘的劣化效应也基本不存在。由于碘的高分压仅预计在推进剂供料系统和推进器内部，因此卫星的主要结构和组件不应受到周围碘大气的影响，不需要适应。