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制

第一作者：趙天旭

通訊作者：黃永江

通訊單位：哈爾濱工業大學材料科學與工程學院

DOI:10.1016/j.corsci.2026.113797

1.全文速覽

低地球軌道是現代航天活動的核心區域，原子氧作為低軌空間內最主要的影響因素對聚合物基航天器件的服役性能構成了嚴重威脅。在低軌空間環境中，原子氧由氧分子在太陽紫外輻射作用下分解而產生，其對材料的侵蝕是多種效應協同作用的結果，既包括強氧化性誘導化學反應從而引起聚合結構變化，又包含物理濺射引起的宏觀質量損失。為了提升聚合物的服役壽命進而維持航天器長期的正常在軌運行，本研究通過磁控濺射制備AlNiCe非晶合金薄膜(ATF)實現對聚合物材料的性能強化，并通過模擬地面原子氧暴露試驗系統揭示了AlNiCe非晶合金優異的抗原子氧侵蝕性能與動態防護機制，為延長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。論文發表于中科院一區TOP期刊Corrosion Science。

2.本文亮點

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

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致密的自鈍化氧化層，且氧化層呈現特殊的“非晶-納米晶”雙相結構，其中非晶態結構有效抑制了原子氧的持續向內擴散，而納米晶的存在進一步提升了表面動態承載能力。

3、AlNiCe非晶合金薄膜展現了優異的抗原子氧侵蝕能力，且非晶合金薄膜表面雙相結構的形成進一步提升了其整體動態承載能力，實現了聚合物材料的空間服役性能強化。

圖形摘要

沉積態 AlNiCe非晶合金薄膜的截面微觀結構表征：(a) 截面形貌；(b) 選區電子衍射(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) 宏觀質量變化；(b) 對應原子氧凈侵蝕率

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) 分別為經過1E20、4E20、7E20和1E21 atoms/cm2原子氧暴露后的Kapton表面形貌；(b) 沉積態AlNiCe 非晶合金薄膜的表面形貌；(b1-b4) 分別為經過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+蝕刻時間的變化

AlNiCe 非晶合金薄膜表面分析：(a) 非標準條件下氧化反應的吉布斯自由能；(b) 氧化物含量隨刻蝕時間的變化；(c) 氧化物的歸一化比例統計

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

原子氧暴露后AlNiCe非晶合金薄膜的HRTEM圖片及相關區域選區電子衍射圖譜

原子氧暴露實現AlNiCe非晶合金薄膜性能強化：（a）納米壓痕載荷-位移曲線；（b）納米劃痕測試中的摩擦系數統計及相應的殘余劃痕深度；（c）納米劃痕表面形貌

原子氧作用下AlNiCe非晶合金薄膜的質量變化動力學方程

原子氧導致AlNiCe非晶合金薄膜表面微觀結構演變及動態防護模型

4.總結與展望

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現了聚合物材料的服役性能強化。結合地面原子氧暴露實驗系統研究了AlNiCe非晶合金薄膜抗原子氧侵蝕性能與動態防護機制，主要結論如下：

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構穩定性，且呈現出遠低于傳統材料的原子氧侵蝕率。

2、AlNiCe非晶合金薄膜在原子氧暴露環境中表面原位生成自鈍化保護層，呈現非晶與氧化鋁納米晶共存的雙相結構特征。

3、AlNiCe非晶合金薄膜優異的抗原子氧侵蝕性能來源于雙相結構有效抑制了原子氧的持續向內擴散，并通過機械性能強化進一步提升了對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質量生長與物理濺射導致質量損失之間的動態競爭機制，且通過原子氧通量的變化明確了不同階段的主導因素。

5.作者介紹

通訊作者：黃永江，哈爾濱工業大學教授，工學博士，博士生導師，英國皇家學會牛頓學者，黑龍江省高層次人才，中國金屬學會非晶合金分會委員，中國熱處理行業協會汽車鋼分會副理事長。主要從事新型航天金屬材料的增材/增減材智能制造、亞穩金屬材料（包括非晶合金及其復合材料、輕合金、高熵合金等）、凝固理論及鑄造裝備等方向研究工作。獲黑龍江省科技進步二等獎一項，黑龍江省自然科學二等獎一項，黑龍江省高校自然科學一等獎和二等獎各一項。在Advanced Materials、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Corrosion Science等國際著名學術雜志上發表SCI收錄論文270余篇，被Science等權威雜志引用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，申請國家發明專利82項，授權55項，擔任8個國際期刊副主編/編委/青年編委。

第一作者：趙天旭，哈爾濱工業大學博士生，主要從事非晶合金的極端環境服役行為研究，參與哈爾濱工業大學空間環境與物質作用全國重點實驗室基金以及中國載人航天工程空間應用系統等項目。

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“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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