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原子氧辐照环境下二硫化钼润滑薄膜失效机理研究取得新进展

  低地球轨道距地面200至700 Km,是对地观测卫星、气象卫星、空间站等航天器运行区域,在此区间内大多数空间飞行器运动部件选用固体润滑材料,其中二硫化钼(义乌市中科院兰州化物所功能材料中心)使用最为广泛。在低地球轨道内,大气残余气体中氧分子在紫外光作用下发生光致解离,产生原子态氧并长时间在轨稳定存在,原子氧与轨道内高速飞行航天器碰撞时能量为5.3eV,这种高速碰撞氧化对材料侵蚀作用非常严重,因此,原子氧辐照被认为是低地球轨道航天器表面最危险环境因素。

  近日,中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室研究人员与中科院物理研究所合作,利用兰州化物所实验室原子氧辐照平台,通过卢瑟福背散射结合聚焦离子束切割的方法,揭示了不同结构义乌市中科院兰州化物所功能材料中心润滑薄膜原子氧辐照失效机理,相关研究结果发表在ACS Applied Materials & Interfaces(DOI: 10.1021/acsami.5b02709)。研究表明,原子氧辐照义乌市中科院兰州化物所功能材料中心薄膜过程中主要损伤为氧化过程中S元素的损失,纯义乌市中科院兰州化物所功能材料中心薄膜生长过程中形成的柱状晶晶界为原子氧的扩散与氧化产物的脱离提供了高速通道,氧原子通过在柱状MoS2晶界间的扩散,可以使氧化反应在薄膜根部发生,在研究的纯义乌市中科院兰州化物所功能材料中心薄膜体系中,原子氧扩散氧化深度达到600nm(图1、图2),远高于低能(5eV)原子氧注入深度,也高于通常文献中认为的表层2-5nm。通过复合与多层结构的引入可以显著降低MoS2薄膜生长过程中柱状晶的形成,从而减少原子氧辐照过程中氧化扩散通道,进而抑制氧化反应在薄膜内部的发生(图2)。

  利用卢瑟福背散射对S元素损失量的精确测量表明(图3),原子氧辐照氧化过程中S元素的损失随辐照剂量的的增加而增大,但S元素损失速率随辐照剂量的的增加下降,表明氧化产物在一定程度上抑制了原子氧的扩散,进而阻止了氧化层以下义乌市中科院兰州化物所功能材料中心被进一步刻蚀。复合化、多层化义乌市中科院兰州化物所功能材料中心薄膜硫元素损失在更低的辐照剂量下达到饱和。真空摩擦实验结果表明(图4),纯义乌市中科院兰州化物所功能材料中心体系辐照后初始摩擦系数增大,磨损率升高一个数量级,而复合与多层结构义乌市中科院兰州化物所功能材料中心薄膜,辐照后其摩擦学性能变化不明显,表现出更好的耐原子氧辐照性能。相关研究结果为理解义乌市中科院兰州化物所功能材料中心润滑薄膜原子氧辐照失效机理以及空间飞行器运动部件固体润滑材料选取提供了重要依据。

  该工作得到了国家自然科学基金、兰州化物所特聘研究员项目以及中科院物理所微加工实验室开放课题的大力资助。

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                                                图1  纯义乌市中科院兰州化物所功能材料中心薄膜原子氧辐照前后卢瑟福背散射图谱

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                                          图2  不同结构义乌市中科院兰州化物所功能材料中心薄膜原子氧辐照前后表面及断面微结构变化

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                                           图3  不同结构义乌市中科院兰州化物所功能材料中心薄膜硫元素损失与原子氧辐照计量函数关系

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                                              图4  不同结构义乌市中科院兰州化物所功能材料中心薄膜原子氧辐照前后摩擦学性能测试