具有异质界面的耐辐照复合薄膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种具有异质界面的耐辐照复合薄膜及其制备方法与应用。所述耐辐照复合薄膜包括：依次形成于基体表面的钛过渡层、钛/钨/二硫化钼梯度过渡层及二硫化钼/钨异质多层结构层；其中，所述二硫化钼/钨异质多层结构层包括复数个异质界面；所述二硫化钼/钨异质多层结构层是由二硫化钼层和钨层交替层叠形成的纳米多层涂层。本发明专利技术提供的耐辐照复合薄膜中含有大量异质界面结构，二硫化钼沿(002)基面平行于基底生长，大幅提升了薄膜的抗氧化性能，能够耐受航天器约十五年在轨服役的原子氧辐照剂量，且辐照后具有～0.01的超低摩擦系数，适用于低地球轨道空间服役的航天器关键运动部件。动部件。动部件。

【技术实现步骤摘要】
具有异质界面的耐辐照复合薄膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于表面防护处理
，具体涉及一种具有异质界面的耐辐照复合薄膜及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]以二硫化钼为代表的过渡金属二硫化物(TMD)，因其独特的层状结构和层间弱的范德华相互作用力，是当前空间机械运动装置表面主要的润滑材料之一，可避免真空中运动部件之间的冷焊和高摩擦。除了摩擦损伤，服役于低地球轨道的空间站、卫星等航天器不可避免地会与原子氧相互作用。原子氧是低地球轨道环境大气的主要组份(约占80％)，虽然它的静态密度不高，但当航天器在轨高速飞行时(～8km/s)，原子氧撞击的光束密度可达到10
12
～10
15
atoms
·
cm
‑2·
s
‑1，平均动能为5eV。这种高能量的原子氧足以破坏和氧化包括二硫化钼在内的大多数材料的化学键，从而致使材料质量损失、表面氧化和性能下降。国内外航天界专家一致认为原子氧是低地球轨道航天器表面最危险的环境因素。由此可见，实现二硫化钼薄膜的强辐照耐受性和自适应润滑性能就显得尤为重要。
[0003]在上述问题的推动下，国内外研究学者已经通过不同的技术手段和方法来改善二硫化钼薄膜的环境适应能力，包括利用不同的制备工艺调控MoS2的晶体结构、薄膜热处理、金属和化合物掺杂、多层构筑等。然而，截止目前，二硫化钼基薄膜的结构设计在技术上仍存在两个方面的问题，一是非晶二硫化钼薄膜在高剂量原子氧辐照下的氧化深度高达几百纳米；二是研究模拟的原子氧辐照剂量普遍偏低，难以满足当前飞行器在轨安全可靠服役十年以上的任务需求。因此，设计新颖的二硫化钼基薄膜以实现薄膜辐照耐受性和低摩擦磨损性能的协调统一，这对发展长寿命通讯卫星和星际探测器、保障空间站15年在轨安全服役具有重要的应用价值和现实意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种具有异质界面的耐辐照复合薄膜及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
[0005]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0006]本专利技术实施例提供了一种具有异质界面的耐辐照复合薄膜，其包括：依次形成于基体表面的钛过渡层、钛/钨/二硫化钼梯度过渡层及二硫化钼/钨异质多层结构层；
[0007]其中，所述二硫化钼/钨异质多层结构层包括复数个异质界面；所述二硫化钼/钨异质多层结构层是由二硫化钼层和钨层交替层叠形成的纳米多层涂层。
[0008]本专利技术实施例还提供前述的具有异质界面的耐辐照复合薄膜的制备方法，其包括：采用非平衡磁控溅射技术，在基体表面依次沉积钛过渡层、钛/钨/二硫化钼梯度过渡层及二硫化钼/钨异质多层结构层，获得所述具有异质界面的耐辐照复合薄膜。
[0009]本专利技术实施例还提供了前述的具有异质界面的耐辐照复合薄膜在基体表面防护领域中的用途。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0011](1)本专利技术提供的具有异质界面的耐辐照复合薄膜利用本征二硫化钼低摩擦特性的同时，创新性的采用二硫化钼和钨交替生长形成的纳米多层结构，引入大量异质界面，促进二硫化钼(002)晶面择优，获得了超低摩擦，摩擦系数低至0.01，提高了薄膜的真空摩擦学性能，能够满足空间机械运动部件的自润滑要求；
[0012](2)本专利技术提供的具有异质界面的耐辐照复合薄膜中二硫化钼和钨异质界面的构筑可以阻断二硫化钼基面的随机取向生长，并促进(002)基面沿平行于基底择优生长，(002)基面相比于其它基面具有更好的环境稳定性，能够大幅提升薄膜的抗氧化性能；
[0013](3)本专利技术提供的具有异质界面的耐辐照复合薄膜的耐原子氧辐照性能尤为突出，与未形成纳米多层的二硫化钼/银薄膜相比(氧化深度～539.5nm)，在大剂量的原子氧辐照(2.7
×
10
21
atoms
·
cm
‑2)下，二硫化钼/钨纳米多层薄膜在辐照后的氧化深度仅为～23.5nm，其氧化深度减小了约23倍；
[0014](4)本专利技术提供的具有异质界面的耐辐照复合薄膜具有良好的耐腐蚀性能，样品在海洋盐雾模拟环境中持续放置30天，薄膜腐蚀轻微，腐蚀深度小于10nm。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1是本专利技术实施例1和对照例1制得的二硫化钼/钨纳米多层薄膜和二硫化钼/银纳米复合薄膜的XRD谱图；
[0017]图2a和图2b分别是本专利技术实施例1和对照例1制得的二硫化钼/钨纳米多层薄膜和二硫化钼/银纳米复合薄膜内部的透射电子显微镜照片；
[0018]图3a、图3b
‑
图3d、图3e分别是本专利技术实施例1制得的二硫化钼/钨纳米多层薄膜在经历2.7
×
10
21
atoms
·
cm
‑2剂量的原子氧辐照后的截面透射电子显微镜照片、对照例1制得的二硫化钼/银纳米复合薄膜在经历2.7
×
10
21
atoms
·
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‑2剂量的原子氧辐照后的截面透射电子显微镜照片和二者的氧化深度对比图；
[0019]图4是本专利技术实施例1和对照例1制得的二硫化钼/钨纳米多层薄膜和二硫化钼/银纳米复合薄膜在经历2.7
×
10
21
atoms
·
cm
‑2剂量的原子氧辐照后的真空摩擦系数图。
具体实施方式
[0020]鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0021]具体的，作为本专利技术技术方案的一个方面，其所涉及的一种具有异质界面的耐辐照复合薄膜包括：依次形成于基体表面的钛过渡层、钛/钨/二硫化钼梯度过渡层及二硫化钼/钨异质多层结构层；
[0022]其中，所述二硫化钼/钨异质多层结构层包括复数个异质界面；所述二硫化钼/钨异质多层结构层是由二硫化钼层和钨层交替层叠形成的纳米多层涂层。
[0023]在一些优选实施方案中，所述二硫化钼/钨异质多层结构层中二硫化钼层与钨层的厚度调制比控制在3～5∶1。
[0024]在一些优选实施方案中，所述二硫化钼/钨异质多层结构层包含40～60个交替层叠周期层，其中每一交替层叠周期层包含一二硫化钼层和一钨层。
[0025]在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有异质界面的耐辐照复合薄膜，其特征在于包括：依次形成于基体表面的钛过渡层、钛/钨/二硫化钼梯度过渡层及二硫化钼/钨异质多层结构层；其中，所述二硫化钼/钨异质多层结构层包括复数个异质界面；所述二硫化钼/钨异质多层结构层是由二硫化钼层和钨层交替层叠形成的纳米多层涂层。2.根据权利要求1所述的耐辐照复合薄膜，其特征在于：所述二硫化钼/钨异质多层结构层中二硫化钼层与钨层的厚度调制比为3～5∶1；和/或，所述二硫化钼/钨异质多层结构层包含40～60个交替层叠周期层，其中每一交替层叠周期层包含一二硫化钼层和一钨层；和/或，所述二硫化钼/钨异质多层结构层中钨原子的原子百分含量为6～8％。3.根据权利要求1所述的耐辐照复合薄膜，其特征在于：所述钛过渡层的厚度为100～400nm；和/或，所述钛/钨/二硫化钼梯度过渡层的厚度为200～500nm；和/或，所述二硫化钼/钨异质多层结构层的厚度为1.7～2.6μm；和/或，所述耐辐照复合薄膜的厚度为2.0～3.5μm。4.根据权利要求1所述的耐辐照复合薄膜，其特征在于：所述耐辐照复合薄膜在2.7
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10
21
atoms
·
cm
‑2的原子氧辐照剂量辐照后，所获耐辐照复合薄膜的氧化深度为20.0～30.0nm；和/或，所述耐辐照复合薄膜在2.7
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21
atoms
·
cm
‑2的原子氧辐照剂量辐照后，所获耐辐照复合薄膜的真空摩擦系数为0.009～0.015。5.权利要求1
‑
4中任一项所述的具有异质界面的耐辐照复合薄膜的制备方法，其特征在于包括：采用非平衡磁控溅射技术，在基体表面依次沉积钛过渡层、钛/钨/二硫化钼梯度过渡层及二硫化钼/钨异质多层结构层，获得所述具有异质界面的耐辐照复合薄膜。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于包括：采用非平衡磁控溅射技术，以钛靶为阴极靶材，以惰性气体为工作气体，对钛靶施加靶电流，对基体施加负偏压，从而在基体表面沉积得到钛过渡层，其中，所述靶电流为2.0～6.0A，基体偏压为
‑
60～
‑
110V，工作气体流量为12～19sccm，反应腔室压强为1.0～3.0
×
10
‑3torr，基体温度为80～130℃，沉积时间为600...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立平，任思明，范昕，王海新，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：