综述：核辐照环境下MoS2基固体润滑薄膜的进展：微观结构演化、机理及性能调控策略

《Materials Today Chemistry》：Advances in MoS 2-based solid lubricant films for nuclear irradiation environments: Microstructural evolution, mechanisms, and performance modulation strategies

　　

•核辐照环境下的润滑挑战及MoS2的潜力。
•辐照诱导的缺陷演化及性能退化机制。
•多策略协同以同时增强辐照耐受性和摩擦学性能。
•核服务中长寿命固体润滑膜的设计准则。

引言
润滑是摩擦学的基石，旨在将运动界面处的摩擦降至最低并控制磨损。过去半个世纪以来，固体润滑剂——尤其是二维（2D）材料——因其强大的面内键合和微弱的层间耦合，使得相邻层之间容易剪切[1,2]，已成为维持有效润滑不可或缺的材料。固体润滑剂具有高熔点、热稳定性和重载下可靠性能的特点，使其特别适用于高温或低温[3]、超高真空、腐蚀性气氛和潮湿环境[4,5]，以及太空中的原子氧辐照[6,7]等应用场景。

随着核动力技术的快速发展，核反应堆关键运动部件中的润滑材料面临着日益苛刻的运行条件[8]。这些材料必须承受高载荷[9,10]、循环应力[11]和摩擦引起的磨损[12,13]，同时在强中子、质子和γ射线等辐照[8,14,15]条件下保持功能。高通量质子、中子和逃逸粒子的轰击会产生高浓度的点缺陷——间隙原子和空位[16]。图1总结了中子注量、相关的位移损伤以及在反应堆组件中观察到的对应失效模式。这些缺陷逐渐聚集为位错环、空洞和层错四面体等团簇[15,16]，导致肿胀、非晶化和脆化[17]，最终导致材料失效。在第四代反应堆（如高温气冷堆、钠冷快堆和熔盐堆）中，核心运动部件——包括燃料棒栅格、转子、负责反应堆启动、停堆和功率调节的控制棒驱动机构导轨——都需要表面耐磨保护[[18], [19], [20]]。

在磁约束聚变反应堆（MCFRs）中，润滑需求集中在四个主要系统中，如图2所示：重力支撑系统、偏滤器安装和拆卸部件、远程处理系统以及大规模加热天线。如图2(a1, a2)所示，国际热核聚变实验堆（ITER）真空容器（VV）由铰链支撑，铰链承受重力和多轴扰动载荷，同时适应容器在烘烤和运行过程中的径向热膨胀[9]。为确保在高真空（0.05 Pa）、高温（200 °C）和高接触压力（500 MPa）条件下的可靠性能，主铰链-销和销-块接触的圆柱轴承表面需要固体润滑[9,26,27]。在中国聚变工程实验堆（CFETR）中，远程处理臂主要用于容器内偏滤器维护[21,28,29]和包层更换[22,23,30]，如图2(b1-b3)所示，远程处理臂表面涂覆的润滑材料必须在14 MeV中子辐照下保持润滑性和耐磨性。面向等离子体的第一壁部件在高温、高热流和密集等离子体辐照的极端条件下运行。为便于拆卸和更换，同时防止高温服役后扩散驱动的粘附，如图2(c1-c5)所示，其安装界面（如套筒、螺母）通常需要固体润滑[24,31]。在ITER中，离子回旋加热天线（图2(d1, d2)）涂覆了金基润滑和导电层，直接暴露于氘氚聚变产生的高能（高达14 MeV）中子辐照[25,32]。累积的辐照损伤可达50个每原子位移（dpa）[25,32]。如此严重的损伤会加速涂层磨损、降低天线加热电流，甚至危及装置稳定性，因此迫切需要高性能润滑和防护材料。为核服务设计的固体润滑膜需要物理、化学、机械和辐照耐受性能之间的精密平衡[33]——这一挑战需要集成力学、化学和材料科学的多学科方法。

在众多候选材料中，二硫化钼（MoS2）作为一种典型的二维固体润滑剂脱颖而出。其层状六方结构由S–Mo–S三重原子片组成，赋予材料固有的低层间剪切强度、高面内刚度和易层间滑动特性，从而产生低摩擦系数和优异的润滑性[[34], [35], [36]]。通过战略性成分设计——包括多组分复配、掺杂和纳米结构化——可以设计MoS2基薄膜，使其能够在各种恶劣环境中可靠运行，如低温至高温热循环[2,37]、真空-空气交替[38]和腐蚀性气氛[39]。值得注意的是，Wang等人的计算研究进一步表明，MoS2纳米结构对热中子和γ辐照具有固有抗性，突出了其在极端辐照环境中的潜力[40]。这种潜力已开始被利用：MoS2基涂层已被部署在ITER超导磁体和WENDELSTEIN 7-X仿星器中，以减轻极向场和相邻线圈之间的粘滑和摩擦加热[11,41,42]。此外，在真空中运行的滚动部件——如机械臂、夹爪和减速齿轮中的滚针轴承——已成功使用MoS2基复合薄膜进行润滑[21]。自2016年以来，掺有TiC纳米晶和类金刚石碳（DLC）的MoS2复合薄膜已成功应用于EAST托卡马克机械臂轴承和齿轮中，实现了在中子和氚暴露下的稳定远程处理[27,43]。图3总结了磁控溅射高性能MoS2固体润滑薄膜的演变：从最初的优选晶体学取向控制（图3(a)），到辐照诱导损伤和摩擦学失效的机理理解（图3(b–d)），再到近期通过微纳米结构设计实现辐照耐受性、润滑性和耐磨性的多功能集成（图3(e和f)）。最新进展表明，基于缺陷控制和辐照抗性结构设计的新兴策略可以显著增强MoS2基薄膜的辐照抗性，而不损害其优异的摩擦学性能；值得注意的是，在10 dpa的辐照损伤水平下，已经实现了低摩擦和低磨损（图3(g)）。

尽管取得了这些可喜的进展，但仍面临相当多的挑战。在超过30年的服役寿命期间，在长期辐照（>10 dpa）下实现并保持低摩擦系数（<0.05）和磨损率（<10?? mm3/N·m）仍然是未实现的目标。MoS2薄膜中辐照诱导缺陷的形成、演化和湮灭的基本机制尚未被充分理解。此外，合成具有精确控制微观结构和集成功能的多重功能——结合润滑、耐磨和辐照耐受性——的高质量纳米结构化MoS2基复合材料，是实现实际应用的重大障碍。

本综述全面概述了MoS2基固体润滑剂在核环境中的发展。我们讨论了MoS2作为固体润滑剂的重要性、其超润滑机理以及制造技术的进展。本文强调了多粒子辐照——包括中子、质子和γ射线——引起的损伤特征，以及MoS2薄膜在核辐照下的缺陷演化机制。它总结了辐照诱导缺陷的共同特征及其对薄膜摩擦学和机械性能的影响。此外，本文全面概述了优化策略——主要是掺杂改性和大微/纳米结构设计——旨在同时推进辐照耐受性的极限并保持优异的摩擦学性能。这些观点为开发能够满足未来核能系统极端需求的下一代MoS2润滑剂提供了有价值的指导。

章节摘要

MoS2的多型晶格结构与相变
MoS2是过渡金属二硫化物（TMD）家族的典型化合物，通式为MX?（M = 过渡金属；X = S, Se或Te）。天然以辉钼矿形式存在。在其单层形式中，结构由六方平面钼原子通过三角棱柱配位共价键合在两层硫原子之间组成[49,50]，层间距约为6.2 ?，自由层间间隙约为2.9 ?[50]。单层MoS2表现出三种...

MoS2薄膜的合成
广泛应用于机械工程的MoS2基固体润滑薄膜可通过多种合成方法制备，主要可分为自上而下、自下而上[61,62]及其他专用技术。选择合适的合成策略可以精确控制薄膜的维度和形貌，以满足特定应用需求。本节总结了MoS2薄膜的关键合成策略。

MoS2的摩擦学性能和润滑机理
摩擦学接触估计占全球能耗的约23%，并伴随大量相关的经济损失[75]。表面工程、新材料和润滑技术的进展可能将这些摩擦和磨损相关损失减少高达40%[75]。在这些策略中，固体润滑薄膜提供了有效的抗磨损和抗摩擦保护。几十年来，MoS2和MoS2复合薄膜因其...引起了强烈的研究兴趣。

MoS2的质子辐照与摩擦学性能
质子是核反应堆和空间环境中的一种关键辐照粒子。在核反应中，除中子外，还产生高通量、能量范围为10 keV至数MeV的质子[90,91]。辐照缺陷的聚集导致材料肿胀和硬化[91]、断裂韧性[92,93]和摩擦学退化[92,94]。充分了解MoS2基二维材料在中子辐照下的稳定性及其润滑可靠性至关重要。

MoS2的γ辐照
在核反应堆中，γ射线辐照主要源于核衰变过程[130]。与质子辐照不同，γ射线是高能光子——电磁波。如表1[131]所总结，在常见的电离辐射形式中，γ射线具有最高的能量和频率，相应地具有最短的波长。γ射线与物质的相互作用本质上是随机的：单个高能光子可以在...中沉积其大部分能量。

MoS2和MoS2基复合薄膜的中子辐照
在核反应堆中存在的各种辐照粒子——包括质子、等离子体和γ射线——中，中子由于其特征性的高通量、高能量和深穿透性，对防护涂层的结构完整性和功能耐久性构成了特别严峻的挑战。基于反应堆压力容器外半径处最大快中子注量的保守估计表明，生物屏蔽表面上的中子注量可能超过...

抗辐照损伤的微纳米结构设计策略
对现有文献的回顾表明，纯MoS2和元素掺杂MoS2复合薄膜对辐照损伤的抗性有限。表1列出了在不同辐照条件下MoS2中的缺陷损伤，以及相应的摩擦系数和磨损率。通过整合文献和表3中总结的发现，可以识别出辐照效应背后的共同途径：高能辐照（如质子、γ射线、中子）...

总结与展望
MoS2固体润滑薄膜的最新进展已在多个维度上展示了持续进步，包括超润滑性的探索、沉积技术的创新、摩擦学性能的增强以及更深入的机理洞察。凭借其优异的润滑性能，MoS2薄膜正成为在恶劣和复杂运行条件下进行润滑和保护的有前途的候选材料。本综述总结了理解方面的进展...

CRediT作者贡献声明
Zewen Duan：概念化、数据整理、形式分析、资金获取、调查、资源、验证、初稿撰写、修订与编辑。Guosheng Zhao：概念化。Jun Xia：监督。Ruopeng Cui：数据整理。Xiyan Wang：验证。Ke Liu：监督。Xiaoyu Zhao：概念化、资金获取、监督、验证、可视化。Peng Wang：概念化、资金获取、调查、资源、监督、验证。

利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢
作者感谢国家自然科学基金（No. 52305202, 52205235）、内蒙古自治区重点研发计划（2026YFHH0309）和国家重点研发计划（2025YFF0511900）以及中国科学院战略先导研究计划（XDB0470302）。

Zewen Duan | Guosheng Zhao | Jun Xia | Ruopeng Cui | Xiyan Wang | Ke Liu | Xiaoyu Zhao | Peng Wang