哈工大黄永江课题组《Corrosion Science》：揭示AlNiCe非晶合金抗原子氧侵蚀新机制

第一作者：赵天旭

通讯作者：黄永江

通讯单位：哈尔滨工业大学材料科学与工程学院

DOI:10.1016/j.corsci.2026.113797

1.全文速览

低地球轨道是现代航天活动的核心区域，原子氧作为低轨空间内最主要的影响因素对聚合物基航天器件的服役性能构成了严重威胁。在低轨空间环境中，原子氧由氧分子在太阳紫外辐射作用下分解而产生，其对材料的侵蚀是多种效应协同作用的结果，既包括强氧化性诱导化学反应从而引起聚合结构变化，又包含物理溅射引起的宏观质量损失。为了提升聚合物的服役寿命进而维持航天器长期的正常在轨运行，本研究通过磁控溅射制备AlNiCe非晶合金薄膜(ATF)实现对聚合物材料的性能强化，并通过模拟地面原子氧暴露试验系统揭示了AlNiCe非晶合金优异的抗原子氧侵蚀性能与动态防护机制，为延长空间用聚合物材料的服役性能与服役寿命提供了极具前景的解决方案。论文发表于中科院一区TOP期刊Corrosion Science。

2.本文亮点

1、建立动力学模型量化分析原子氧作用下AlNiCe非晶合金薄膜的质量演变规律，将宏观质量变化归因于吸附氧化带来的质量增加与物理溅射导致的质量损失这两种机制的博弈。

2、在高通量原子氧作用下，AlNiCe非晶合金薄膜表面生成了连续致密的自钝化氧化层，且氧化层呈现特殊的“非晶-纳米晶”双相结构，其中非晶态结构有效抑制了原子氧的持续向内扩散，而纳米晶的存在进一步提升了表面动态承载能力。

3、AlNiCe非晶合金薄膜展现了优异的抗原子氧侵蚀能力，且非晶合金薄膜表面双相结构的形成进一步提升了其整体动态承载能力，实现了聚合物材料的空间服役性能强化。

图形摘要

沉积态 AlNiCe非晶合金薄膜的截面微观结构表征：(a) 截面形貌；(b) 选区电子衍射(SAED)图案和高分辨透射电镜(HRTEM)分析

AlNiCe 非晶合金薄膜原子氧侵蚀行为：(a) 宏观质量变化；(b) 对应原子氧净侵蚀率

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) 分别为经过1E20、4E20、7E20和1E21 atoms/cm²原子氧暴露后的Kapton表面形貌；(b) 沉积态AlNiCe 非晶合金薄膜的表面形貌；(b1-b4) 分别为经过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) 沉积态AlNiCe非晶合金薄膜的能谱分析；(c1) 原子氧暴露后AlNiCe非晶合金薄膜的能谱分析

原子氧暴露后AlNiCe 非晶合金薄膜的表面XPS分析：(a) 全谱；(b) 元素含量随不同Ar+蚀刻时间的变化

AlNiCe 非晶合金薄膜表面分析：(a) 非标准条件下氧化反应的吉布斯自由能；(b) 氧化物含量随刻蚀时间的变化；(c) 氧化物的归一化比例统计

原子氧暴露引起的AlNiCe 非晶合金薄膜横截面微观结构演变及元素分布：(a,c) 横截面形貌及相应的能谱(EDS)分析；(b,d) 相应的EDS线扫描

原子氧暴露后AlNiCe非晶合金薄膜的HRTEM图片及相关区域选区电子衍射图谱

原子氧暴露实现AlNiCe非晶合金薄膜性能强化：（a）纳米压痕载荷-位移曲线；（b）纳米划痕测试中的摩擦系数统计及相应的残余划痕深度；（c）纳米划痕表面形貌

原子氧作用下AlNiCe非晶合金薄膜的质量变化动力学方程

原子氧导致AlNiCe非晶合金薄膜表面微观结构演变及动态防护模型

4.总结与展望

综上所述，本研究通过磁控溅射制备AlNiCe非晶合金薄膜成功实现了聚合物材料的服役性能强化。结合地面原子氧暴露实验系统研究了AlNiCe非晶合金薄膜抗原子氧侵蚀性能与动态防护机制，主要结论如下：

1、AlNiCe非晶合金薄膜在高通量原子氧作用下仍保持较好的结构稳定性，且呈现出远低于传统材料的原子氧侵蚀率。

2、AlNiCe非晶合金薄膜在原子氧暴露环境中表面原位生成自钝化保护层，呈现非晶与氧化铝纳米晶共存的双相结构特征。

3、AlNiCe非晶合金薄膜优异的抗原子氧侵蚀性能来源于双相结构有效抑制了原子氧的持续向内扩散，并通过机械性能强化进一步提升了对原子氧物理溅射作用的抵抗。

4、建立模型阐述了吸附氧化促进质量生长与物理溅射导致质量损失之间的动态竞争机制，且通过原子氧通量的变化明确了不同阶段的主导因素。

5.作者介绍

通讯作者：黄永江，哈尔滨工业大学教授，工学博士，博士生导师，英国皇家学会牛顿学者，黑龙江省高层次人才，中国金属学会非晶合金分会委员，中国热处理行业协会汽车钢分会副理事长。主要从事新型航天金属材料的增材/增减材智能制造、亚稳金属材料（包括非晶合金及其复合材料、轻合金、高熵合金等）、凝固理论及铸造装备等方向研究工作。获黑龙江省科技进步二等奖一项，黑龙江省自然科学二等奖一项，黑龙江省高校自然科学一等奖和二等奖各一项。在Advanced Materials、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Corrosion Science等国际著名学术杂志上发表SCI收录论文270余篇，被Science等权威杂志引用7521次（单篇最高SCI引用280余次），ESI高被引6篇，3篇入选封面论文，1篇论文入选中国知网高影响力论文，1篇论文入选Rare Metals杂志年度最佳论文，H因子45，申请国家发明专利82项，授权55项，担任8个国际期刊副主编/编委/青年编委。

第一作者：赵天旭，哈尔滨工业大学博士生，主要从事非晶合金的极端环境服役行为研究，参与哈尔滨工业大学空间环境与物质作用全国重点实验室基金以及中国载人航天工程空间应用系统等项目。

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

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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