AlNiCe非晶薄膜在质子辐照下的微观结构演变及力学性能

《Surface and Coatings Technology》：Microstructural evolution and mechanical performance of AlNiCe amorphous thin films under proton irradiation

辐照增强AlNiCe非晶薄膜力学性能及其机制研究。质子辐照通过致密化效应和自由体积减少抑制剪切带扩展，提升弹性模量和硬度。薄膜保持非晶相且结构稳定，具备低地球轨道应用潜力。

　　本研究探讨了AlNiCe非晶薄膜在质子辐照下的微结构演变及其对宏观力学性能的影响。这项工作通过磁控溅射技术制备了AlNiCe非晶薄膜，并对其在不同辐照能量下的结构变化进行了系统分析。研究发现，随着质子辐照能量的增加，非晶薄膜内部的局部结构有序度逐渐提升，同时保持非晶态，这种变化直接导致弹性模量和硬度的单调性增强。具体而言，弹性模量的提高可以归因于辐照引起的致密化效应，而硬度的增加则源于自由体积减少对剪切带形成和扩展的抑制作用。结合其优异的比强度和对质子辐照的高抗性，AlNiCe非晶薄膜在低地球轨道（LEO）等极端环境下的工程应用展现出广阔前景。

低地球轨道作为航天器运行的主要环境，具有复杂的外部条件，包括原子氧、离子辐照以及空间碎片等。这些因素对航天器材料的稳定性提出了严峻挑战。传统的轻质合金，如铝和镁合金，在航空航天领域广泛应用，但它们在空间因素作用下容易产生缺陷和异质形核，从而严重降低其力学性能和抗腐蚀能力，显著制约了其在LEO中的可靠性和使用寿命。值得注意的是，在LEO中，高通量低能质子持续轰击航天器表面，导致材料的局部损伤，进而影响其力学和光学性能。因此，开发具有优异性能的新材料对于提升航天器在LEO中的长期运行能力至关重要。

非晶金属材料因其独特的原子结构表现出优于传统晶体合金的力学性能和抗腐蚀能力。这种性能提升源于元素的均匀分布以及缺乏晶体缺陷，如晶界。此外，非晶材料还展现出优异的抗辐照能力，其原因在于其亚稳态微结构，可以促进辐照诱导缺陷的重新分布，并有助于内在的自修复机制。因此，非晶材料在充满离子的外太空环境中具有广泛的应用潜力。

近年来，关于辐照如何调控非晶材料的微结构和性能的机制引起了广泛关注。通过结合分子动力学模拟与实验研究，已确认主要机制是不弹性碰撞，这些碰撞可以生成激活的结构单元，包括缺陷和纳米晶。高能离子植入会引发原子核的级联碰撞，从而形成富含空位的区域，甚至产生额外的自由体积。这种辐照诱导的微结构无序会增强材料的塑性，但相应地降低其热稳定性。值得注意的是，辐照可能作为一种能量耗散过程，促进竞争性的结构演化。例如，它可能会减少内部有序簇的原子间距，甚至促进纳米晶的析出。分散的纳米晶可以抑制剪切带的扩展，从而通过钉扎效应增强非晶材料的力学性能。同时，辐照介导的微结构转变和性能变化主要由辐照特性决定，特别是植入离子的种类和累积的损伤。例如，Bian等人对Zr基非晶材料在Xe离子辐照下的微结构演化和力学性能进行了系统研究，揭示了随着辐照损伤的积累，材料从无序向有序转变的趋势。此外，在特定的辐照条件下，如He离子植入，非晶材料中的初始自由体积和辐照诱导的空位可以作为He离子的捕获位点，最终形成He气泡，从而影响非晶材料的力学性能。

在本研究中，我们基于先前的工作，探索了通过辐照调整非晶材料微结构均质性的可能性，从而优化其力学性能，提升其可靠性和使用寿命。Al基非晶材料以其比强度远高于传统铝合金的特性，为航空航天应用提供了显著优势。AlNiCe三元体系在Al基非晶合金中表现出更好的成玻璃能力。值得注意的是，Ce作为微合金元素的引入有助于形成更致密的结构，从而显著增强非晶材料的结构稳定性。然而，AlNiCe非晶材料在LEO环境中的微结构演化和退化机制仍缺乏深入研究。

为了阐明辐照的影响，我们进行了系统的质子辐照实验，该实验构成了LEO中带电粒子的主要成分，用以模拟真实的太空环境。通过结合纳米压痕测试和透射电子显微镜（TEM）分析，我们对质子辐照引起的微结构演化及其对非晶薄膜力学性能的影响进行了全面研究。研究发现，质子辐照能够诱导AlNiCe非晶薄膜内部的结构弛豫，同时不引起纳米晶的析出，这表明其具有优异的微结构稳定性。此外，AlNiCe非晶薄膜在不同辐照能量下表现出显著的力学性能提升，其弹性模量和硬度均随辐照能量的增加而单调上升。这种力学强化可以归因于辐照引起的自由体积消减，有效抑制了剪切带的形成和扩展。结合其优异的结构稳定性和力学性能保持能力，AlNiCe非晶薄膜在LEO环境下的应用潜力显著。

在薄膜沉积过程中，使用了Al、Ni和Ce（纯度为99.99%）作为材料源，在磁控溅射系统中进行沉积，系统内的真空度为10?? Pa。单晶硅片经过抛光后用作沉积AlNiCe薄膜的基底，沉积温度为常温。靶材与基底之间的距离预设为80 mm。初始溅射压力设定为3 Pa，通过控制氩气流量将工作压力调整为0.3 Pa。为了确保薄膜的质量和性能，沉积过程中的参数经过严格调控，以达到最佳效果。

在沉积后的薄膜中，我们对元素组成和结构进行了分析。如图1(b)和图1(c)所示，沉积后的薄膜表现出良好的厚度均匀性（约1.01 μm），其结构紧凑且均匀。通过调节溅射功率，可以优化薄膜的元素组成，其中各元素的原子百分比约为Al（85.6 at.%）、Ni（7.9 at.%）和Ce（6.5 at.%）。图1(c)进一步证实了薄膜在空间分布上的均匀性，这为其后续的性能研究提供了可靠的基础。

通过分析纳米压痕形貌（如堆垛和剪切带），可以提供一种直接评估非晶材料力学行为变化的方法，作为传统P-h曲线的重要补充。表面的微小起伏对变形行为的扫描影响不大。如图6(a)所示，在压痕位置周围观察到了许多明显的堆垛现象，这些堆垛周围形成了半圆形的剪切带图案。这些堆垛来源于应变的积累，表明材料在受力过程中的响应特征。通过这种分析，我们可以更直观地理解材料在不同辐照条件下的力学性能变化。

本研究的主要结论包括：首先，质子辐照能够诱导AlNiCe非晶薄膜内部的结构弛豫，同时不引起纳米晶的析出，这表明其具有优异的微结构稳定性；其次，AlNiCe非晶薄膜在不同辐照能量下表现出显著的力学性能提升，其弹性模量和硬度均随辐照能量的增加而单调上升；第三，这种力学强化可以归因于质子辐照引起的自由体积消减，有效抑制了剪切带的形成和扩展；第四，结合其优异的结构稳定性和力学性能保持能力，AlNiCe非晶薄膜在LEO环境下的应用场景具有显著潜力。

研究团队成员包括：赵天旭、程思远、王楠、Peng E、宁志良、孙建飞、张岩明、黄永江。所有作者均对研究的撰写、修改、验证、软件开发、资源获取、方法设计、实验研究和数据分析做出了贡献。其中，赵天旭还负责项目管理和资金申请。研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52171154和52371106）、中国载人航天工程空间应用系统（项目编号KJZ-YY-WCL0601）以及哈尔滨工业大学空间环境与物质相互作用国家重点实验室的资助。

研究结果表明，AlNiCe非晶薄膜在质子辐照下表现出独特的结构响应和性能变化。这种材料在LEO环境中的应用不仅能够有效抵抗高通量低能质子的侵蚀，还能保持其优异的力学性能，为航天器提供更长的使用寿命和更高的可靠性。因此，AlNiCe非晶薄膜被认为是未来航天材料研究的重要方向之一，具有广阔的应用前景。