贫铀表面氧化层厚度对银镀层界面微观结构、结合强度及磨损行为的调控机制研究

为解决贫铀(DU)表面氧化层厚度(hUO2+x)对银(Ag)镀层界面结合强度及耐磨性的影响问题，研究人员通过磁控溅射技术制备Ag/DU体系，系统研究了hUO2+x从<20 nm至～155 nm变化对界面微观结构、剪切应力及摩擦系数(COF)的作用规律。结果表明：hUO2+x增加会导致Ag/UO2+x界面纳米级孔洞和微裂纹形成，使结合强度从～15.2 MPa降至～3.5 MPa；当hUO2+x<40 nm时，Ag镀层展现稳定低COF(～0.26)和优异耐磨性。该研究为核工业材料表面防护涂层设计提供了关键参数依据。

　　

在核工业与材料科学领域，贫铀(DU)及其合金因其优异的机械性能被广泛应用，但其表面易氧化和与防护涂层结合力弱的特性长期制约材料性能。尤其在高摩擦工况下，表面氧化层厚度(h_UO2+x)的波动可能导致防护涂层失效，直接威胁构件安全。传统研究多聚焦于涂层本身性能优化，却忽视了界面氧化层的"厚度阈值效应"，这一科学盲区亟待破解。

针对这一挑战，中国工程物理研究院的研究团队在《Results in Surfaces and Interfaces》发表了创新性成果。研究通过精确调控DU表面氧化时间(20-120分钟)，构建h_UO2+x梯度样本(<20 nm至～155 nm)，采用磁控溅射沉积5 μm银(Ag)镀层。结合扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和有限元分析(FEM)等技术，首次揭示了h_UO2+x通过界面应力重分布影响镀层性能的微观机制。

关键技术包括：1) 通过干氧氧化法制备h_UO2+x梯度样本；2) 采用无偏压磁控溅射避免氧化物结构损伤；3) 结合椭偏仪与X射线衍射(XRD)定量表征h_UO2+x；4) 运用球-盘摩擦仪测定摩擦系数(COF)；5) 建立Ag/UO_2+x/DU三层有限元模型解析应力分布。

3.1 表面微观结构
氧化时间延长使DU表面颜色由黄变棕，但粗糙度(Ra)稳定在4.0-4.5 μm。XRD显示UO_2+x峰强随h_UO2+x增加而增强，但未观测到峰位移，这与纳米级厚度(<155 nm)相关。

3.2 界面结构
TEM揭示当h_UO2+x<20 nm时，界面存在～5 nm Ag-UO₂互混区；而h_UO2+x≥80 nm时，界面出现纳米孔洞和微裂纹，且尺寸随厚度增加而扩大。

3.3 结合强度与磨损行为
h_UO2+x从<20 nm增至～155 nm时，结合强度从15.2 MPa骤降至3.5 MPa，COF从0.26升至0.59。SEM显示h_UO2+x<40 nm的镀层磨损轨迹无颗粒残留，而厚氧化层样本出现Ag剥落和DU直接磨损。

3.4 影响机制
FEM计算表明：h_UO2+x增加使UO_2+x内应力从47.3 GPa降至41.3 GPa，但Ag/UO_2+x界面剪切应力从3.1 MPa升至7.4 MPa，这是界面缺陷产生的力学根源。

该研究明确了h_UO2+x<40 nm的临界阈值，在此范围内Ag镀层能通过纳米互混区实现强界面结合(>12.8 MPa)和稳定低摩擦(COF～0.26)。这一发现不仅为核材料表面防护提供了精确的工艺控制参数，其揭示的"氧化物厚度-界面应力-服役性能"关联规律，对其它易氧化金属基材的涂层设计具有普适指导意义。特别是在高辐射、高摩擦等极端环境下，该成果可显著延长防护涂层的服役寿命，具有重要的工程应用价值。