哈工大黃永江課題組《Corrosion Science》：揭示AlNiCe非晶合金抗原子氧侵蝕新機(jī)制

第一作者：趙天旭

通訊作者：黃永江

通訊單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

DOI:10.1016/j.corsci.2026.113797

1.全文速覽

低地球軌道是現(xiàn)代航天活動(dòng)的核心區(qū)域，原子氧作為低軌空間內(nèi)最主要的影響因素對(duì)聚合物基航天器件的服役性能構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。在低軌空間環(huán)境中，原子氧由氧分子在太陽紫外輻射作用下分解而產(chǎn)生，其對(duì)材料的侵蝕是多種效應(yīng)協(xié)同作用的結(jié)果，既包括強(qiáng)氧化性誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)從而引起聚合結(jié)構(gòu)變化，又包含物理濺射引起的宏觀質(zhì)量損失。為了提升聚合物的服役壽命進(jìn)而維持航天器長(zhǎng)期的正常在軌運(yùn)行，本研究通過磁控濺射制備AlNiCe非晶合金薄膜(ATF)實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物材料的性能強(qiáng)化，并通過模擬地面原子氧暴露試驗(yàn)系統(tǒng)揭示了AlNiCe非晶合金優(yōu)異的抗原子氧侵蝕性能與動(dòng)態(tài)防護(hù)機(jī)制，為延長(zhǎng)空間用聚合物材料的服役性能與服役壽命提供了極具前景的解決方案。論文發(fā)表于中科院一區(qū)TOP期刊Corrosion Science。

2.本文亮點(diǎn)

1、建立動(dòng)力學(xué)模型量化分析原子氧作用下AlNiCe非晶合金薄膜的質(zhì)量演變規(guī)律，將宏觀質(zhì)量變化歸因于吸附氧化帶來的質(zhì)量增加與物理濺射導(dǎo)致的質(zhì)量損失這兩種機(jī)制的博弈。

2、在高通量原子氧作用下，AlNiCe非晶合金薄膜表面生成了連續(xù)致密的自鈍化氧化層，且氧化層呈現(xiàn)特殊的“非晶-納米晶”雙相結(jié)構(gòu)，其中非晶態(tài)結(jié)構(gòu)有效抑制了原子氧的持續(xù)向內(nèi)擴(kuò)散，而納米晶的存在進(jìn)一步提升了表面動(dòng)態(tài)承載能力。

3、AlNiCe非晶合金薄膜展現(xiàn)了優(yōu)異的抗原子氧侵蝕能力，且非晶合金薄膜表面雙相結(jié)構(gòu)的形成進(jìn)一步提升了其整體動(dòng)態(tài)承載能力，實(shí)現(xiàn)了聚合物材料的空間服役性能強(qiáng)化。

圖形摘要

沉積態(tài) AlNiCe非晶合金薄膜的截面微觀結(jié)構(gòu)表征：(a) 截面形貌；(b) 選區(qū)電子衍射(SAED)圖案和高分辨透射電鏡(HRTEM)分析

AlNiCe 非晶合金薄膜原子氧侵蝕行為：(a) 宏觀質(zhì)量變化；(b) 對(duì)應(yīng)原子氧凈侵蝕率

AlNiCe 非晶合金薄膜表面形貌和元素分析：(a) Kapton的表面形貌；(a1-a4) 分別為經(jīng)過1E20、4E20、7E20和1E21 atoms/cm2原子氧暴露后的Kapton表面形貌；(b) 沉積態(tài)AlNiCe 非晶合金薄膜的表面形貌；(b1-b4) 分別為經(jīng)過1E20、4E20、7E20和1E21 atoms/cm2原子氧暴露后的AlNiCe 非晶合金薄膜表面形貌；(c) 沉積態(tài)AlNiCe非晶合金薄膜的能譜分析；(c1) 原子氧暴露后AlNiCe非晶合金薄膜的能譜分析

原子氧暴露后AlNiCe 非晶合金薄膜的表面XPS分析：(a) 全譜；(b) 元素含量隨不同Ar+蝕刻時(shí)間的變化

AlNiCe 非晶合金薄膜表面分析：(a) 非標(biāo)準(zhǔn)條件下氧化反應(yīng)的吉布斯自由能；(b) 氧化物含量隨刻蝕時(shí)間的變化；(c) 氧化物的歸一化比例統(tǒng)計(jì)

原子氧暴露引起的AlNiCe 非晶合金薄膜橫截面微觀結(jié)構(gòu)演變及元素分布：(a,c) 橫截面形貌及相應(yīng)的能譜(EDS)分析；(b,d) 相應(yīng)的EDS線掃描

原子氧暴露后AlNiCe非晶合金薄膜的HRTEM圖片及相關(guān)區(qū)域選區(qū)電子衍射圖譜

原子氧暴露實(shí)現(xiàn)AlNiCe非晶合金薄膜性能強(qiáng)化：（a）納米壓痕載荷-位移曲線；（b）納米劃痕測(cè)試中的摩擦系數(shù)統(tǒng)計(jì)及相應(yīng)的殘余劃痕深度；（c）納米劃痕表面形貌

原子氧作用下AlNiCe非晶合金薄膜的質(zhì)量變化動(dòng)力學(xué)方程

原子氧導(dǎo)致AlNiCe非晶合金薄膜表面微觀結(jié)構(gòu)演變及動(dòng)態(tài)防護(hù)模型

4.總結(jié)與展望

綜上所述，本研究通過磁控濺射制備AlNiCe非晶合金薄膜成功實(shí)現(xiàn)了聚合物材料的服役性能強(qiáng)化。結(jié)合地面原子氧暴露實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了AlNiCe非晶合金薄膜抗原子氧侵蝕性能與動(dòng)態(tài)防護(hù)機(jī)制，主要結(jié)論如下：

1、AlNiCe非晶合金薄膜在高通量原子氧作用下仍保持較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，且呈現(xiàn)出遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)材料的原子氧侵蝕率。

2、AlNiCe非晶合金薄膜在原子氧暴露環(huán)境中表面原位生成自鈍化保護(hù)層，呈現(xiàn)非晶與氧化鋁納米晶共存的雙相結(jié)構(gòu)特征。

3、AlNiCe非晶合金薄膜優(yōu)異的抗原子氧侵蝕性能來源于雙相結(jié)構(gòu)有效抑制了原子氧的持續(xù)向內(nèi)擴(kuò)散，并通過機(jī)械性能強(qiáng)化進(jìn)一步提升了對(duì)原子氧物理濺射作用的抵抗。

4、建立模型闡述了吸附氧化促進(jìn)質(zhì)量生長(zhǎng)與物理濺射導(dǎo)致質(zhì)量損失之間的動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，且通過原子氧通量的變化明確了不同階段的主導(dǎo)因素。

5.作者介紹

通訊作者：黃永江，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授，工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師，英國皇家學(xué)會(huì)牛頓學(xué)者，黑龍江省高層次人才，中國金屬學(xué)會(huì)非晶合金分會(huì)委員，中國熱處理行業(yè)協(xié)會(huì)汽車鋼分會(huì)副理事長(zhǎng)。主要從事新型航天金屬材料的增材/增減材智能制造、亞穩(wěn)金屬材料（包括非晶合金及其復(fù)合材料、輕合金、高熵合金等）、凝固理論及鑄造裝備等方向研究工作。獲黑龍江省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，黑龍江省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，黑龍江省高校自然科學(xué)一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。在Advanced Materials、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Corrosion Science等國際著名學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表SCI收錄論文270余篇，被Science等權(quán)威雜志引用7521次（單篇最高SCI引用280余次），ESI高被引6篇，3篇入選封面論文，1篇論文入選中國知網(wǎng)高影響力論文，1篇論文入選Rare Metals雜志年度最佳論文，H因子45，申請(qǐng)國家發(fā)明專利82項(xiàng)，授權(quán)55項(xiàng)，擔(dān)任8個(gè)國際期刊副主編/編委/青年編委。

第一作者：趙天旭，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生，主要從事非晶合金的極端環(huán)境服役行為研究，參與哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間環(huán)境與物質(zhì)作用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金以及中國載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)等項(xiàng)目。

6.引用本文

Tianxu Zhao, Siyuan Cheng, Nan Wang, Zhiliang Ning, Jianfei Sun, Peter K. Liaw, Yongjiang Huang*. Unraveling the structural stability and protective performance of AlNiCe amorphous thin films under atomic oxygen exposure, Corrosion Science 2026, 265: 113797

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.113797

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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