摘要

随着我国航空航天事业迈向“星辰大海”的深空，从近地轨道的空间站到远赴火星的“天问”系列，再到未来的载人登月与星际航行，所有宏伟的蓝图都深深植根于一个核心领域——先进航空航天材料。太空是一个极端严酷的环境，充斥着高能粒子辐射、强烈的紫外照射、巨大的温度循环、原子氧侵蚀以及复杂的等离子体环境。传统材料在此环境下性能会急剧衰退，甚至失效。因此，以第三代半导体、钙钛矿、碳纤维复合材料等为代表的新材料，成为了支撑未来航天器性能与可靠性的关键。然而，将这些新材料送上太空之前，必须在地面实验室中精准复现并深入理解其在太空环境下的行为与演化规律。本文将系统综述地面辐照模拟技术与原位多模态光谱探测技术在新材料航天应用中的核心作用、最新进展与未来趋势，旨在阐明其作为我国航空航天事业“根基”的重要性。

一、 引言：极端太空环境与新材料的挑战

太空，远非一片虚无。对于航天器材料而言，它更像一个无形的“战场”。这个战场的主要“敌人”包括：

1. 带电粒子辐射：

来自太阳风、太阳耀斑和银河宇宙射线的高能电子、质子及重离子，能够穿透材料表面，通过电离和非弹性碰撞在材料内部产生晶格损伤、原子位移、形成缺陷，导致材料电学性能退化、机械性能下降，甚至引发单粒子效应等致命故障。

2. 紫外辐射：

太阳发出的强紫外光子能量高，足以打断聚合物的化学键，导致有机材料、涂层、黏合剂的分子链断裂、交联或降解，从而引起颜色变化、粉化、脆化，丧失其热控或力学功能。

3. 原子氧：

在近地轨道，残余大气中的氧分子在太阳紫外辐射作用下解离成高活性的原子氧。它以约8km/s的高速撞击航天器表面，对聚合物、复合材料等产生强烈的氧化侵蚀，如同“太空銹蚀”。

4. 温度交变与超高真空：

向阳面与背阴面高达数百摄氏度的温差，以及极高的真空度，会诱发材料的热疲劳、出气污染等问题。

面对这些挑战，传统金属与合金已难以满足日益增长的性能需求。新一代航空航天材料必须具备高比强度、高稳定性、耐辐照、多功能集成等特性。其中，第三代宽禁带半导体、钙钛矿材料、碳纤维增强聚合物复合材料

等脱颖而出。

· 第三代半导体： 以碳化硅、氮化镓为代表。它们具有宽禁带、高击穿电场、高导热率、高电子饱和速率等优异特性，是制造航天器高压、大功率、高频电子器件以及耐辐射探测器的理想选择，能显著提升系统的效率与可靠性。

· 钙钛矿材料： 以其卓越的光电转换效率闻名，在空间太阳能电池领域展现出颠覆性潜力，有望大幅提升航天器的能源供应。同时，其在辐射探测、发光器件方面也具应用前景。然而，其本征稳定性，尤其是在辐照下的退化机制，是亟待解决的核心问题。

· 碳纤维增强聚合物复合材料： CFRP以其极高的比强度和比模量，成为航天器主结构、天线支架、太阳电池阵基板等轻量化设计的首选。但其树脂基体对紫外辐射和原子氧极为敏感，纤维/基体界面在辐照下也易发生退化，直接影响结构完整性。

将这些新材料应用于太空，绝不能“一送了之”。必须在发射前，于地面实验室中构建起能够模拟上述极端环境的“试验场”，并发展能够在试验过程中“实时、原位”地洞察材料微观结构变化的“眼睛”。这正是地面辐照模拟与原位多模态光谱探测技术存在的意义。

二、 地面辐照模拟：构建太空环境的“地面试验场”

地面辐照模拟的核心目标是，利用可控的辐照源，在加速条件下，等效太空环境中长期、低剂量的辐照效应，从而在短时间内评估材料的耐辐照性能，预测其寿命。

1. 电子与质子辐照模拟

这是模拟太空带电粒子环境的主要手段。通过粒子加速器（如静电加速器、串列加速器等）产生能量在几十keV到几MeV范围内的电子束或质子束。

· 应用示例： 在研究SiC基MOSFET器件的太空应用时，研究人员会利用质子束对其栅氧层进行辐照，研究阈值电压漂移、沟道迁移率下降等退化现象，揭示界面态和氧化物陷阱的产生规律，为抗辐射加固设计提供依据。

· 挑战与趋势： 关键在于能量与注量的精确控制，以及实现多粒子（如电子、质子协同）辐照，以更真实地模拟空间综合辐射场。

2. 紫外辐照模拟

采用氙灯、汞氙灯等作为光源，通过滤光片筛选出特定波段的紫外光（尤其是200-400nm），模拟太阳紫外辐射。

· 应用示例： 对CFRP或其表面热控涂层进行长时间的紫外辐照，定期检测其质量损失、表面形貌、力学性能（如层间剪切强度）及光学性能（太阳吸收率）的变化，评估其抗紫外老化能力。

· 挑战与趋势： 需要结合温度控制，模拟太空中的冷热交变环境，并关注真空紫外效应。

3. 原子氧辐照模拟

通过激光烧蚀、微波放电或射频放电等方式将氧气解离，产生束流密度可控的原子氧束。

· 应用示例： 将待测的聚合物薄膜或CFRP样品暴露于原子氧束流中，通过测量其质量随时间的变化，精确计算其剥蚀率，并利用扫描电镜观察其表面由平滑变为“地毯状”的形貌特征。

· 挑战与趋势： 提高原子氧束流的通量和均匀性，并尝试与其他辐照源（如紫外）同步进行，研究协同效应。

4. 综合环境模拟装置

最前沿的模拟设备致力于将多种环境因素集成于一体，如“电子/质子 + 紫外 + 原子氧 + 高温真空”的综合模拟舱。这种装置能够揭示单一辐照无法观测到的复杂协同损伤机制，更逼近真实太空环境。

三、 原位多模态光谱探测：洞察材料演变的“火眼金睛”

传统的测试方法往往是在辐照结束后，将样品取出进行“事后分析”。这种方式会丢失材料在动态辐照过程中的瞬态信息，且可能因样品暴露于大气而发生改变。原位探测技术则是在辐照进行的同时，实时、在线地对材料进行分析，如同在“战场”前线安装的实时监控系统。而多模态光谱则是将多种光谱技术联用，从不同维度揭示材料的结构、成分与状态信息，形成互补与印证。

1. 激光诱导击穿光谱

· 原理： 使用高能脉冲激光聚焦于样品表面，产生等离子体，通过分析等离子体冷却过程中发射的特征光谱，实现对材料元素成分的定性与定量分析。

· 原位应用重要性：

 · 监测成分演化： 在原子氧或质子辐照CFRP时，可实时监测碳、氧、氢等元素的信号强度变化，直接反映树脂基体的剥蚀速率和氧化过程。

 · 探测表面污染： 可灵敏探测到因材料出气或环境交叉污染在表面沉积的微量杂质元素。

 · 联用优势： LIBS具备微区破坏性，可为后续的Raman或PL分析精确定位感兴趣的区域。

2. 拉曼光谱

· 原理： 基于非弹性光散射，提供分子振动、晶格振动的“指纹”信息。

· 原位应用重要性：

 · 诊断结构损伤： 对于SiC等晶体材料，辐照诱导的晶格损伤会使拉曼特征峰发生展宽、位移甚至出现非晶相的特征宽峰。实时监测这些变化，可以量化缺陷密度，理解损伤积累动力学。

 · 表征应力状态： 拉曼峰位对应力极其敏感，可用于监测CFRP在辐照环境下纤维/基体界面应力的演化。

 · 揭示降解机制： 对于钙钛矿薄膜，拉曼光谱可以实时追踪其有机阳离子和无机骨架在紫外或电子辐照下的化学结构变化，例如PbI₂等降解产物的生成。

3. 光致发光光谱

· 原理： 通过测量材料在光激发下发出的荧光，探测其电子结构、缺陷态和载流子动力学。

· 原位应用重要性：

 · 评估光电性能退化：

对于钙钛矿太阳能电池材料和第三代半导体，PL强度直接关联于材料的非辐射复合中心（缺陷）密度。原位PL可以实时观测辐照过程中缺陷的产生与湮灭过程，直接评估其光电性能的退化。

 · 识别缺陷类型： 不同缺陷会产生不同波长的PL发射峰。通过分析PL谱的演变，可以识别出由辐照引入的特定类型缺陷（如空位、间隙原子等）。

 · 探测相分离与稳定性：

对于混合组分钙钛矿，PL谱可以灵敏地反映其在辐照下可能发生的相分离现象。

多模态联用的威力：

将LIBS、Raman和PL集成于一套原位测试系统中，其价值远大于单个技术的简单相加。例如，在辐照一块钙钛矿样品时：

· LIBS 首先确认表面元素比例未发生剧烈变化，排除严重剥蚀。

· Raman 随后发现无机骨架[PbI₆]⁴⁻八面体的特征振动峰减弱，并出现了PbI₂的峰，表明晶体结构正在降解。

· PL 同时监测到其发光强度急剧下降且峰位红移，证实了非辐射复合缺陷的大量产生和载流子传输性能的恶化。

 这三者结合，从元素、分子结构到电子能态，构成了一个完整的证据链，清晰地揭示了钙钛矿材料从结构损伤到功能失效的全链条微观机理。

四、 典型案例分析：新材料体系的地面评估

案例一：SiC功率器件的质子辐照损伤与原位诊断

在地面模拟装置中，对商用SiC MOSFET施加1MeV能量的质子辐照。同步采用显微拉曼光谱对栅氧层附近的SiC沟道区进行扫描。原位观测发现，随着质子注量增加，SiC的横向光学声子峰逐渐展宽并发生红移，定量分析表明晶格无序度线性增加。同时，原位PL光谱显示近带边发射峰强度显著猝灭，而与缺陷相关的深能级发射增强。这些原位光谱数据与电学测试（如转移特性曲线退化）建立了精确的关联模型，为设计抗辐射加固的SiC器件提供了关键的物理图像和工艺优化方向。

案例二：CFRP空间结构的紫外/原子氧协同效应研究

将CFRP样品置于综合环境模拟舱中，同时施加原子氧束流和紫外辐照。利用原位LIBS对样品表面进行周期性扫描，发现碳元素信号衰减速率远快于单独原子氧辐照的情况，表明紫外光活化了树脂分子链，使其更易被原子氧攻击。

原位拉曼光谱进一步发现，碳纤维的D峰与G峰强度比发生变化，表明即使在树脂保护下的纤维本身也受到了影响，界面可能发生了退化。这一协同效应的发现，警示我们必须在地面测试中采用更严苛的综合环境条件，并推动了新型抗协同侵蚀涂层的发展。

案例三：钙钛矿空间太阳能电池的电子辐照稳定性评估

为评估钙钛矿太阳能电池的太空应用前景，研究人员在真空环境中用低能电子束辐照典型的MAPbI3薄膜，并集成原位PL和Raman探测。实验初期，PL强度出现一个短暂的增强，Raman谱未见明显变化，推测为低剂量辐照的“退火效应”消除了部分初始缺陷。但随着注量持续增加，PL强度开始急剧下降，Raman谱中出现了明显的PbI2特征峰。这一动态过程被完整记录，明确了该材料在电子辐照下的损伤阈值和“先修复后破坏”的双相损伤机制，为其在轨稳定性预测与材料改性（如组分工程、界面钝化）提供了至关重要的实验依据。

图1. 苏州惟光探真公司辐照模拟与原位光谱测试系统示意图

五、 总结与展望

我国航空航天事业正处在从“跟跑”到“并跑”乃至“领跑”的历史性跨越时期。“工欲善其事，必先利其器”。以三代半、钙钛矿、CFRP为代表的先进新材料，是铸就“大国重器”的基石。而对它们进行充分、可靠的地面辐照模拟与原位多模态光谱探测，则是确保这些基石在极端太空中巍然不动的“淬火”与“质检”流程。

未来，该领域的发展将呈现以下趋势：

1. 模拟环境极端化与综合化：

从单一因素向多物理场耦合（辐照、温度、应力、等离子体）方向发展，并探索模拟木星等高辐射行星环境的更高能粒子辐照条件。

2. 探测技术高时空分辨与智能化：

发展具有纳米尺度空间分辨率和飞秒量级时间分辨率的超快原位光谱技术，以捕捉缺陷产生的初始瞬间。结合人工智能与机器学习，对海量的原位光谱数据进行自动、快速的解析与建模，实现材料性能退化的智能预测。

3. 技术链条闭环化：

将地面模拟、原位探测与材料合成、器件制备更紧密地结合，形成一个“模拟-探测-理解-设计-制备-再验证”的闭环研发体系，加速抗辐射新材料的迭代与应用。

总而言之，深入发展地面辐照模拟与原位多模态光谱探测技术，不仅是对新材料“太空生存能力”的终极考核，更是从根本上理解材料在极端条件下行为规律、实现从“经验筛选”到“机理设计”跨越的必由之路。唯有筑牢这一“星海之基”，我们方能更有底气地应对深空挑战，让中国的航天器在更广阔的宇宙中行稳致远。