低地球軌道距地面200至700 Km，是對地觀測衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、空間站等航天器運行區(qū)域，在此區(qū)間內(nèi)大多數(shù)空間飛行器運動部件選用固體潤滑材料，其中二硫化鉬（MoS2）使用最為廣泛。在低地球軌道內(nèi)，大氣殘余氣體中氧分子在紫外光作用下發(fā)生光致解離，產(chǎn)生原子態(tài)氧并長時間在軌穩(wěn)定存在，原子氧與軌道內(nèi)高速飛行航天器碰撞時能量為5.3eV，這種高速碰撞氧化對材料侵蝕作用非常嚴重，因此，原子氧輻照被認為是低地球軌道航天器表面最危險的環(huán)境因素。

　　近日，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究人員與中科院物理研究所合作，利用蘭州化物所實驗室原子氧輻照平臺，通過盧瑟福背散射結合聚焦離子束切割的方法，揭示了不同結構MoS2潤滑薄膜原子氧輻照失效機理，相關研究結果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces(DOI: 10.1021/acsami.5b02709）。研究表明，原子氧輻照MoS2薄膜過程中主要損傷為氧化過程中S元素的損失，純MoS2薄膜生長過程中形成的柱狀晶晶界為原子氧的擴散與氧化產(chǎn)物的脫離提供了高速通道，氧原子通過在柱狀MoS2晶界間的擴散，可以使氧化反應在薄膜根部發(fā)生，在研究的純MoS2薄膜體系中，原子氧擴散氧化深度達到600nm（圖1、圖2），遠高于低能（5eV）原子氧注入深度，也高于通常文獻中認為的表層2-5nm。通過復合與多層結構的引入可以顯著降低MoS2薄膜生長過程中柱狀晶的形成，從而減少原子氧輻照過程中氧化擴散通道，進而抑制氧化反應在薄膜內(nèi)部的發(fā)生（圖2）。

　　利用盧瑟福背散射對S元素損失量的精確測量表明（圖3），原子氧輻照氧化過程中S元素的損失隨輻照劑量的增加而增大，但S元素損失速率隨輻照劑量的增加下降，表明氧化產(chǎn)物在一定程度上抑制了原子氧的擴散，進而阻止了氧化層以下MoS2被進一步刻蝕。復合化、多層化MoS2薄膜硫元素損失在更低的輻照劑量下達到飽和。真空摩擦實驗結果表明（圖4），純MoS2體系輻照后初始摩擦系數(shù)增大，磨損率升高一個數(shù)量級，而復合與多層結構MoS2薄膜，輻照后其摩擦學性能變化不明顯，表現(xiàn)出更好的耐原子氧輻照性能。相關研究結果為理解MoS2潤滑薄膜原子氧輻照失效機理以及空間飛行器運動部件固體潤滑材料選取提供了重要依據(jù)。

　　該工作得到了國家自然科學基金、蘭州化物所特聘研究員項目以及中科院物理所微加工實驗室開放課題的大力資助。

圖1 純MoS2薄膜原子氧輻照前后盧瑟福背散射圖譜

圖2 不同結構MoS2薄膜原子氧輻照前后表面及斷面微結構變化

圖3 不同結構MoS2薄膜硫元素損失與原子氧輻照計量函數(shù)關系

圖4 不同結構MoS2薄膜原子氧輻照前后摩擦學性能測試