王鹏课题组：固体润滑薄膜抗辐照结构设计研究取得新进展

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先进核能系统涉及的机械装备复杂多样，服役于核反应堆运动部件的润滑材料不仅承受运动过程中高温、腐蚀、循环应力以及摩擦磨损，还要面对中子、α粒子以及伽马射线强辐射苛刻环境。材料在这些载能粒子轰击下产生空位与间隙原子等点缺陷，在服役环境及时间诱导下这些辐照损伤演化与积累最终导致材料服役寿命下降并危及反应堆安全运行。因此，理解和掌握核辐照环境下固体润滑材料服役行为对反应堆的设计、安全以及经济运行至关重要。

图1 辐照后DLC薄膜不同深度处Raman特征光谱以及不同辐照剂量下薄膜摩擦曲线

　　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空间与核辐射摩擦学组一直致力于固体润滑材料辐照损伤行为研究工作，团队选取类金刚石碳膜（DLC）和金属硫化物基薄膜（MoS2）两类润滑材料为研究对象，系统地开展了重离子模拟中子、伽马射线等辐照环境下材料损伤形式与演化，以及辐照损伤对润滑薄膜材料力学、摩擦学服役行为影响规律（摩擦学学报, 2021, 40, 489-503）。
　　研究发现：DLC薄膜在重离子辐照过程中C-H键断裂同时伴随C由sp3向sp2杂化转变，氢的损失在非晶碳膜中产生悬挂键，增加滑动界面之间的粘附力；而碳的石墨化导致薄膜硬度降低，从而加剧滑动接触中薄膜润滑失效（Carbon, 2019, 146, 200-209; Surf & Interface Anal, 2020, 52,553-568;摩擦学学报, 2021, 41, 169-175）。

图2 不同辐照剂量下MoS2/Ti复合薄膜微观结构的变化

　　MoS2基薄膜辐照过程大量空位团聚形成大尺寸空洞，辐照损伤大于5dpa后导致薄膜非晶化严重。辐照硬化导致薄膜韧性下降，同时无序化结构在摩擦界面不规则转移相比未辐照样品变差，从而导致有序化转移膜在摩擦过程中被快速从接触面推出，耐磨寿命迅速下降1-2个数量级（Appl Surf Sci, 2019, 465, 564–574; ACS Appl nano mater, 2019, 2, 3 1302-1312;Appl Surf Sci, 2019, 480, 438–447;Surf & Coat Tech, 2019, 378, 125077; J Phys D Appl Phys,2020, 53, 155202; Appl Surf Sci, 2020, 517, 146131）。

图3 MoS2/YSZ纳米复合薄膜微观结构调控对其辐照损伤影响

　　在此基础上，将反应堆结构材料抗辐照设计理念引入固体润滑薄膜优化，通过MoS2晶体结构控制与纳米化界面设计，该课题组首次成功制备了抗辐照与润滑自适应一体化的MoS2/YSZ基纳米复合薄膜材料。
　　通过提高MoS2结晶度并减少本征缺陷密度，结合纳米颗粒边界效应，纳米尺寸效应和晶界陷阱可以有效地吸收和湮灭辐照过程中产生的缺陷，从而有效抑制了空位积累和大尺寸空洞的形成。同时，得益于MoS2纳米晶润滑相与非晶硬质相的协同作用，在摩擦诱导下界面转移自组装形成保护膜，确保了大气/真空摩擦过程中同时实现低摩擦系数与高耐磨寿命。上述研究为设计和发展抗辐照固体润滑薄膜提供了理论指导。该成果近期发表在ACS Appl. Mater. Interfaces, doi.org/10.1021/acsami.0c18864。段泽文博士生为该论文第一作者，王鹏研究员为通讯作者。
　　以上工作得到了中科院西部之光交叉团队，甘肃省创新群体项目和固体润滑国家重点实验室重点研究方向的支持。


       文章来源：兰州化物所
       王鹏，博士，研究员，博士生导师。2001年毕业于兰州理工大学材料学院，获工学学士学位；同年进入兰州化学物理研究所，从事薄膜材料制备、表征及其在辐照环境下失效机理研究工作。2003年至2008年硕博连读获得中科院研究生院物理化学专业博士学位。2010年至2013年德国马普等离子体物理研究所博士后，从事高能粒子束分析以及边界等离子体与材料相互作用研究工作。2013年5月回国获聘中科院兰州化学物理研究所研究员。承担并完成多项自然科学基金、企业委托项目。在国内外重要刊物发表SCI论文40余篇。