Adaptive strengthening of AlNiCe amorphous thin films under space cryogenic thermal cycling

01 文章导读

非晶合金内部无序原子排列结构使其在聚合物基航天器件的表面防护领域具有良好的应用前景。冷热循环过程中AlNiCe非晶合金薄膜均保持均匀的元素分布与稳定的非晶态结构，而且纳米尺度空间结构异质作为结构单元使得AlNiCe非晶合金薄膜在冷热循环过程中经历了从结构回复向结构弛豫的结构转变。长时间冷热循环处理诱导非晶合金薄膜内部中程有序结构的形成进一步增加了抗蠕变能力，实现了非晶合金薄膜在低轨空间环境内服役性能的自适应强化。

关键词：AlNiCe非晶合金薄膜，冷热循环，异质结构，结构稳定性，服役性能

Citations：Tianxu Zhao, Siyuan Cheng, Juntao Huo, Jianing Wang, Junqiang Wang, Zhiliang Ning, Jianfei Sun, Nan Wang and Yongjiang Huang. Adaptive strengthening of AlNiCe amorphous thin films under space cryogenic thermal cycling [J]. Materials Futures, 2026. /DOI:10.1088/2752-5724/aeac3b

本文亮点：

1、冷热循环过程中非晶合金薄膜表面模量与能量耗散发生非单调演变；

2、冷热循环诱导非晶合金薄膜经历了结构回复到结构弛豫的结构转变；

3、冷热循环处理过程中非晶合金薄膜展现自适应强化行为。

02 文章要点

要点1 冷热循环处理过程中非晶合金薄膜的非单调结构演变

AlNiCe非晶合金薄膜在冷热循环过程中保持完全非晶态结构，但纳米尺度结构呈现显著的非单调演变（图1）。具体而言，冷热循环初期，剧烈的冷热交变产生的非仿射热应变激活自由体积使得松散堆积的软区扩展并相互连通、结构异质性及相位相关长度增加，此时体系进入高能状态并伴随模量的降低与能量耗散的增强（图1（b））；而随着冷热循环的持续增加，热量输入的累积促进内部局域原子重排以及自由体积的湮灭，形成更加均匀致密的原子排列结构（图1（c）），从而实现由冷热循环前期结构回复向后期结构弛豫的结构转变。

图1. AlNiCe非晶合金薄膜的异质结构分析：（a）-（c）分别为沉积态、循环20次和循环60次后的高分辨相移图像；（d）高度与相移的相关性；（e）自相关分析；（f）相关长度演变。

要点2 揭示异质结构、弛豫动力学与能量势阱的内在关联

基于Maxwell–Voigt模型将蠕变动力学分解为局域原子重排主导的β弛豫和协同原子运动主导的α弛豫（图2）。循环初期，β弛豫增强、α弛豫向短时间移动，表明自由体积增加降低了剪切转变区的激活能垒，更易发生局域重排和蠕变；冷热循环后期β弛豫受到抑制，α弛豫向更长时间迁移，原子协同运动能垒升高，实现抗蠕变性能强化。此外，AlNiCe非晶合金薄膜局域激活能垒呈“先降低、后升高”的变化，从能量角度揭示了冷热循环诱导的结构转变。

图2. AlNiCe非晶合金薄膜的纳米压痕蠕变行为分析：（a）蠕变位移，插图为Maxwell-Voigt模型示意；（b）蠕变瞬时位移h0；（c）位移变量h₁和h₂；（d）应变速率敏感因子；（e）特征弛豫时间τ₁和τ₂。

要点3 阐述AlNiCe非晶合金薄膜的自适应强化机制

AlNiCe非晶合金薄膜局域有序度随着冷热循环次数的增加呈现先降低后增加的变化趋势（图3），尤其在长时间冷热循环后非晶基体中析出约2-5nm的类晶体有序团簇，有效抑制了变形过程中剪切带的形核与扩展，从而提升了动态承载能力与抗蠕变性能。同时，较大的负混合焓以及原子尺寸错配有效抑制了类晶体团簇的长大并展现良好的结构稳定性，为低轨空间环境表面涂层提供了可靠的材料设计思路。

图3. 沉积态以及冷热循环处理后AlNiCe非晶合金薄膜透射电镜分析：（a）沉积态非晶合金薄膜的高分辨透射电镜与自相关分析，蓝色插图为快速傅里叶变换图像，绿色插图为选定区域的自相关分析子图；（b）有序团簇与无序基体的对比；（c）局域结构有序度；（d）60次冷热循环处理后非晶合金薄膜的高分辨透射电镜图图像，插图为快速傅里叶变换图像。

03 总结与未来展望

低轨空间环境内多种空间因素的持续作用对航天器表面聚合物材料的服役性能产生严重的衰退作用。研究证明，AlNiCe非晶合金薄膜具有优异的抗原子氧侵蚀性能、辐照与冷热交变作用结构稳定性，为开发轻量化、高稳定性与优异服役性能的轻质非晶合金防护薄膜提供数据支撑。后续将通过在轨暴露实验的开展进一步研究原子氧、辐照与冷热循环之间的耦合机制，以及多因素耦合作用对AlNiCe非晶合金薄膜的结构与服役性能的影响规律，为面向聚合物基航天器件的高性能防护薄膜设计、优化与工程应用提供理论指导。

本工作得到了中国空间站应用与发展工程项目（KJZ-YY-WCL0601）和哈尔滨工业大学空间环境与物质作用全国重点实验室开放基金支持。

作者简介

通讯作者：黄永江，哈尔滨工业大学教授，工学博士，博士生导师，精密热成形全国重点实验室副主任，英国皇家学会牛顿学者，黑龙江省高层次人才，中国金属学会非晶合金分会委员，中国热处理行业协会汽车钢分会副理事长。主要从事新型航天金属材料的增材/增减材智能制造、亚稳金属材料（包括非晶合金及其复合材料、轻合金、高熵合金等）、凝固理论及铸造装备等方向研究工作。获黑龙江省科技进步二等奖一项，黑龙江省自然科学二等奖一项，黑龙江省高校自然科学一等奖和二等奖各一项。在Advanced Materials、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Corrosion Science等国际著名学术杂志上发表SCI收录论文280余篇，被Science等权威杂志引用8520次（单篇最高SCI引用280余次），ESI高被引7篇，3篇入选封面论文，1篇论文入选中国知网高影响力论文，1篇论文入选Rare Metals杂志年度最佳论文，H因子46，申请国家发明专利82项，授权55项，担任8个国际期刊副主编/编委/青年编委。

通讯作者：王军强，研究员，博士生导师。国家杰出青年基金（青A）和优秀青年基金获得者，重点研发计划项目首席科学家，国际非晶纳米晶亚稳材料年会青年科学家奖获得者。主要研究非晶合金磁电功能特性和月球非晶物质物理性能，发现非晶材料弛豫基本单元——弛豫子，为精准调控非晶非平衡态提供科学基础；发现月球非晶物质具有重要的“储氢固氦”作用，为未来月球资源利用和月球基地建设提供全新思路。相关成果在PNAS、Nature Commun.、Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.等期刊发表200余篇文章，申请发明专利40余项，成果被央视新闻联播和新华社等报道。担任中国物理学会非晶态物理分会副主任、中国非晶节能材料产业技术创新联盟、中国金属学会非晶合金分会等理事。

通讯作者：王楠，主要从事先进金属复合增材制造工艺、变形机理与强韧化调控研究。已发表SCI论文16篇，其中以第一作者、共同第一作者或通讯作者发表8篇；参与6项国家级科研项目。曾获中国国际大学生创新创业大赛黑龙江省银奖，并获国家留学基金管理委员会公派博士联合培养资助。

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