一种耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜及制备方法技术

技术编号：43931277 阅读：7 留言：0更新日期：2025-01-07 21:26

本发明专利技术涉及航空航天材料固体润滑材料领域，具体公开了一种耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜及制备方法。本发明专利技术采用闭合场非平衡磁控溅射技术，通过在金属材料上沉积结合层(Ti)，梯度过渡层(MoS<subgt;2</subgt;/Ti)，功能层(MoS<subgt;2</subgt;/Ti)，过渡层(MoS<subgt;2</subgt;‑Ti‑C)，功能层(MoS<subgt;2</subgt;‑C)构成多层复合润滑薄膜。本发明专利技术所制备的润滑薄膜可在低轨道空间环境下可靠服役，可以有效降低空间机械摩擦运动部件的机械磨损，且在低轨道空间经长时间辐照下仍能保持稳定的摩擦学性能，尤其适用于新一代低轨服役的空间飞行器的轴承、齿轮等长期运动部件。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航空航天材料固体润滑材料领域，具体涉及一种耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜及制备方法。

技术介绍

1、大型低轨星座是最近10年出现并逐渐成熟的航天系统，由运行距离地面300km～2000km太空的数百至数万颗卫星组成。

2、固体润滑薄膜是保障卫星结构机构的运动部件在低轨环境下长期可靠服役的关键。目前应用于卫星运动部件的固体润滑剂种类繁多，其中，溅射mos2为层片状结构，在真空下具有非常低的摩擦系数，是目前空间精密滑动运动部件应用最为广泛和最成功的润滑材料。

3、溅射二硫化钼薄膜在空间环境下失效的原因主要是与空间辐照环境直接相关。空间辐照主要有空间紫外辐照、原子氧侵蚀、高能粒子辐照(电子、质子)等。随着太空探索活动的不断发展，为满足空间飞行器的在空间低轨道的长期服役要求，溅射二硫化钼薄膜必须满足耐低轨道空间辐照的能力。研究表明，mos2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，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。

4、因此，提高溅射二硫化钼薄膜在低轨道下耐空间辐照性能是实现该材料体系在低轨卫星中应用的关键。

5、经对现有专利文献检索发现，cn 115323326 a公开了一种耐空间原子氧辐照的长寿命二硫化钼基复合薄膜及其制备方法和应用，属于固体润滑
ti层能够增加二硫化钼基复合薄膜与基

技术实现思路

1、针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜及制备方法，所制备的二硫化钼基复合薄膜可在低轨道暴露在空间环境下的运动部件表面可靠服役，摩擦系数低且可自适应低轨空间辐照环境，可以有效降低空间机械摩擦运动部件的机械磨损，可以大幅提高暴露在空间中的机械运动部件的可靠性。

2、为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：

3、本专利技术提供了一种耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜，薄膜结构按照距离基体由近及远顺序依次包括沉积ti结合层，mos2-ti梯度过渡层，mos2-ti功能层，mos2-ti-c过渡层，mos2-c功能层。本专利技术沉积ti结合层+mos2-ti梯度过渡层+mos2-ti功能层+mos2-ti-c过渡层+mos2-c功能层复合薄膜的摩擦系数在0.016～0.18之间，小于0.2。机理为摩擦过程中碳与二硫化钼会形成异质结结构，降低摩擦系数。且该膜层结构下，随着摩擦时间增加，润滑膜层磨损加深，粘附在对偶件表面的碳，依旧会在摩擦界面与底层的二硫化钼形成异质结结构，进而一直表现为低的摩擦系数。在本专利技术的多层复合薄膜中设置mos2-ti梯度过渡层一方面为了降低金属与二硫化钼之间的热膨胀系数，另一方面增强二硫化钼薄膜的硬度和韧性；如将mos2-ti梯度过渡层(ti含量为0～40at％)替换成ti金属过渡层(ti含量为100at％)，将表现为膜基结合力不良和耐磨寿命短。如将多层复合薄膜设置为沉积ti结合层+mos2-ti梯度过渡层+mos2-ti功能层将不能实现本专利技术的目的，该结构摩擦系数为接近于0.2，大于0.2。再如将薄膜结构设计为沉积ti结合层+mos2-ti-c过渡层+mos2-c功能层，仍不能实现本专利技术的目的；其主要表现为摩擦磨损寿命差；以本专利技术实施例1为例，沉积ti结合层+mos2-ti梯度过渡层+mos2-ti功能层+mos2-ti-c过渡层+mos2-c功能层摩擦磨损寿命为3.1×105转，而沉积ti结合层+mos2-ti-c过渡层+mos2-c功能层摩擦磨损寿命为6×104转。

4、作为本专利技术的一个实施方案，所述薄膜的厚度为1～5μm。

5、作为本专利技术的一个实施方案，所述沉积ti结合层厚度为100～500nm。

6、作为本专利技术的一个实施方案，mos2-ti梯度过渡层的厚度为100～1000nm。

7、作为本专利技术的一个实施方案，mos2-ti功能层的厚度为200～2000nm。

8、作为本专利技术的一个实施方案，mos2-ti-c过渡层的厚度为50～500nm。

9、作为本专利技术的一个实施方案，mos2-c功能层的厚度为50～1000nm。实践中，复合膜层的各层厚度和层数根据具体要求确定。

10、作为本专利技术的一个实施方案，mos2-ti梯度过渡层中ti含量为0～40at％。

11、作为本专利技术的一个实施方案，mos2-ti功能层中ti含量范围为8％～20％。

12、作为本专利技术的一个实施方案，mos2-ti-c梯度过渡层中c含量10～50at％，ti含量5～12at％。

13、作为本专利技术的一个实施方案，mos2-c功能层中c含量40～50at％。

14、本专利技术还提供了上述技术方案所述耐低轨道空间本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜，薄膜结构按照距离基体由近及远顺序依次包括沉积Ti结合层、MoS2-Ti梯度过渡层、MoS2-Ti功能层、MoS2-Ti-C梯度过渡层和MoS2-C功能层。

2.根据权利要求1所述的耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜，其特征在于，所述薄膜的厚度为1～5μm。

3.根据权利要求1所述的耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜，其特征在于，所述Ti结合层厚度为100～500nm；

4.根据权利要求1所述的耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜，其特征在于，所述MoS2-Ti梯度过渡层中Ti含量为0～40at％；

5.一种根据权利要求1-4中任一项所述耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述等离子清洗是在气压低于1×10-3Pa的条件下通入氩气，采用线性离子源对金属基材进行清洗。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2-S6中，沉积采用闭合场非平衡磁控溅射技术。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，钛靶电流0.5～5A，沉积时间10～60min；

10.一种如权利要求1-4中任一项所述耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜在用作航空航天材料用固体润滑材料中的应用。

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【技术特征摘要】

1.一种耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜，薄膜结构按照距离基体由近及远顺序依次包括沉积ti结合层、mos2-ti梯度过渡层、mos2-ti功能层、mos2-ti-c梯度过渡层和mos2-c功能层。

2.根据权利要求1所述的耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜，其特征在于，所述薄膜的厚度为1～5μm。

3.根据权利要求1所述的耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜，其特征在于，所述ti结合层厚度为100～500nm；

4.根据权利要求1所述的耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层复合薄膜，其特征在于，所述mos2-ti梯度过渡层中ti含量为0～40at％；

5.一种根据权利要求1-4中任一项所述耐低轨道空间辐照的自适应二硫化钼基多层...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖金涛，鞠鹏飞，吕超君，唐丽娜，翟运飞，
申请(专利权)人：上海航天设备制造总厂有限公司，
类型：发明
国别省市：

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