钛合金表面纳米管直径对模拟月尘粘附性能的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31803

材料工程与机械制造

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

钛合金表面纳米管直径对模拟月尘粘附性能的影响

何俊¹^,², 辛世刚¹^,²(), 焦海洋¹, 黄卿¹

^1.中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 200050
^2.中国科学院大学材料科学与光电工程中心，北京 100049

收稿日期:2025-01-13 修回日期:2025-02-10 接受日期:2025-03-14 出版日期:2025-04-11 发布日期:2025-04-10
通讯作者: 辛世刚 E-mail:sgxin@mail.sic.ac.cn

Effect of nanotube diameter on adhesion of simulated lunar dust on titanium alloy surface

Jun HE¹^,², Shigang XIN¹^,²(), Haiyang JIAO¹, Qing HUANG¹

^1.Shanghai Institute of Ceramics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China
^2.Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2025-01-13 Revised:2025-02-10 Accepted:2025-03-14 Online:2025-04-11 Published:2025-04-10
Contact: Shigang XIN E-mail:sgxin@mail.sic.ac.cn

摘要/Abstract

摘要：

月球尘埃在航天器表面的粘附严重威胁航天器的稳定运行。被动防尘技术通过表面纳米结构降低范德华力，无需额外能量具有巨大的应用潜力。通过阳极氧化法在钛合金表面制备二氧化钛纳米管阵列，表征了表面的微观结构，测量了表面与单颗模拟月尘之间的粘附力、暴露在模拟月尘的环境中时的模拟月尘粘附量。结果表明，与未处理的钛合金表面相比，单颗模拟月尘颗粒与表面之间的粘附力减小了87%，模拟月尘的粘附量减少了70%。通过调节电压可精确控制纳米管直径（50~110 nm），此范围内较小直径纳米管因接触面积最小化展现出更优异的防尘性能，与基于范德华力的理论模型预测一致。表面倾斜角减小或月尘暴露量增加会导致粘附量显著上升，实际应用中需协同优化表面结构与工况参数。

关键词: 钛合金, 月尘, 纳米管阵列, 粘附力, 防尘, 范德华力

Abstract:

The adhesion of lunar dust on the surface of spacecraft seriously threatens the stable operation of spacecraft. Passive dust mitigation technology reduces van der Waals forces through surface nanostructures， and has great application potential without additional energy. Titanium dioxide nanotube arrays were prepared on the surface of titanium alloy by anodic oxidation. The microstructure of the surface was characterized. The adhesion force between the surface and a single simulated lunar dust and the amount of simulated lunar dust adhesion when exposed to simulated lunar dust were measured.Results show that compared with the untreated titanium alloy surface， the adhesion force between a single simulated lunar dust particle and the surface is reduced by 87%， and the adhesion of simulated lunar dust is reduced by 70%. The diameter of the nanotubes （50-110 nm） can be precisely controlled by adjusting the voltage. In this range， the smaller diameter nanotubes exhibit better dust mitigation performance due to the minimization of the contact area， which is consistent with the theoretical model prediction based on van der Waals forces. The decrease of surface inclination angle or the increase of lunar dust exposure will lead to a significant increase in adhesion， indicating that both surface structure and operational conditions must be jointly optimized for practical applications.

Key words: titanium alloys, lunar dust, nanotube arrays, adhesion force, dust mitigation, van der Waals forces

中图分类号:

V252

何俊, 辛世刚, 焦海洋, 黄卿. 钛合金表面纳米管直径对模拟月尘粘附性能的影响[J]. 航空学报, 2026, 47(1): 431803.

Jun HE, Shigang XIN, Haiyang JIAO, Qing HUANG. Effect of nanotube diameter on adhesion of simulated lunar dust on titanium alloy surface[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(1): 431803.

图/表 14

图 1

图 2

表1

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

参考文献 34

[1]	GRÜN E， HORANYI M， STERNOVSKY Z. The lunar dust environment［J］. Planetary and Space Science， 2011， 59（14）： 1672-1680.
[2]	GAIER J R. Interpretation of the Apollo 14 thermal degradation sample experiment［J］. Icarus， 2012， 221（1）： 167-173.
[3]	ZHANG H Y， WANG Y， CHEN L P， et al. In-situ lunar dust deposition amount induced by lander landing in Chang’E-3 mission［J］. Science China Technological Sciences， 2020， 63（3）： 520-527.
[4]	JIN H， LI X Y， WEI G F， et al. Properties of lunar dust and their migration on the moon［J］. Space： Science & Technology， 2024， 4： 142.
[5]	GOLUB’ A P， POPEL S I. On the fluxes of dust particles detected near the lunar surface by the Chang’e 3 lander［J］. Solar System Research， 2021， 55（5）： 389-397.
[6]	LEMELLE L， ROUQUETTE S， MOTTIN E， et al. Passive limitation of surface contamination by perFluoroDecylTrichloroSilane coatings in the ISS during the MATISS experiments［J］. NPJ Microgravity， 2022， 8： 31.
[7]	POPEL S I， ZELENYI L M， GOLUB A P， et al. Lunar dust and dusty plasmas： Recent developments， advances， and unsolved problems［J］. Planetary and Space Science， 2018， 156： 71-84.
[8]	CAIN J R. Lunar dust： the hazard and astronaut exposure risks［J］. Earth， Moon， and Planets， 2010， 107（1）： 107-125.
[9]	ZANON P， DUNN M， BROOKS G. Current Lunar dust mitigation techniques and future directions［J］. Acta Astronautica， 2023， 213： 627-644.
[10]	BRADDOCK M. Hazards of lunar regolith for respiratory， central nervous system， cardiovascular and ocular function［M］∥The Human Factor in the Settlement of the Moon. Cham： Springer International Publishing， 2021： 141-157.
[11]	CANNON K M， DREYER C B， SOWERS G F， et al. Working with lunar surface materials： Review and analysis of dust mitigation and regolith conveyance technologies［J］. Acta Astronautica， 2022， 196： 259-274.
[12]	BARKER D C， OLIVAS A， FARR B， et al. Adhesion of lunar simulant dust to materials under simulated lunar environment conditions［J］. Acta Astronautica， 2022， 199： 25-36.
[13]	LEE R G， WORTHY E S， WILLIS E M， et al. Development of a comprehensive physics-based model for study of NASA gateway lunar dust contamination［J］. Acta Astronautica， 2023， 210： 616-626.
[14]	JIANG J， LU Y F， ZHAO H Y， et al. Experiments on dust removal performance of a novel PLZT driven lunar dust mitigation technique［J］. Acta Astronautica， 2019， 165： 17-24.
[15]	HIRABAYASHI M， HARTZELL C M， BELLAN P M， et al. Electrostatic dust remediation for future exploration of the Moon［J］. Acta Astronautica， 2023， 207： 392-402.
[16]	FARR B， WANG X， GOREE J， et al. Improvement of the electron beam （e-beam） lunar dust mitigation technology with varying the beam incident angle［J］. Acta Astronautica， 2021， 188： 362-366.
[17]	DOVE A， DEVAUD G， WANG X， et al. Mitigation of lunar dust adhesion by surface modification［J］. Planetary and Space Science， 2011， 59（14）： 1784-1790.
[18]	JIANG J， LU Y F， YAN X T， et al. An optimization dust-removing electrode design method aiming at improving dust mitigation efficiency in lunar exploration［J］. Acta Astronautica， 2020， 166： 59-68.
[19]	FARR B， WANG X， GOREE J， et al. Dust mitigation technology for lunar exploration utilizing an electron beam［J］. Acta Astronautica， 2020， 177： 405-409.
[20]	JIANG J， ZHAO H Y， WANG L， et al. Analysis of influence factors on dust removal efficiency for novel photovoltaic lunar dust removal technology［J］. Smart Materials and Structures， 2017， 26（12）： 125025.
[21]	GAIER J， BERKEBILE S. Implication of adhesion studies for dust mitigation on thermal control surfaces［C］∥50th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Reston： AIAA， 2012： 875.
[22]	ZHANG H Y， WANG X， ZHANG J， et al. Adhesion effect analysis of ultra-fine lunar dust particles on the aluminum-based rough surface based on the fractal theory［J］. Advances in Space Research， 2022， 69（7）： 2745-2755.
[23]	ZHANG G L， HUANG J D， WANG L S， et al. Design and fabrication of dust removal nanoarray structure on the surface of solar cell glass cover［J］. Journal of Science： Advanced Materials and Devices， 2023， 8（2）： 100545.
[24]	WANG X， WANG W D， SHAO H， et al. Lunar dust-mitigation behavior of aluminum surfaces with multiscale roughness prepared by a composite etching method［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2022， 14（29）： 34020-34028.
[25]	LEE S S， MICKLOW L， TUNELL A， et al. Engineering large-area antidust surfaces by harnessing interparticle forces［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2023， 15（10）： 13678-13688.
[26]	ZHANG J W， WANG W Q， ZHOU S X， et al. Transparent dust removal coatings for solar cell on Mars and its Anti-dust mechanism［J］. Progress in Organic Coatings， 2019， 134： 312-322.
[27]	ALIJANI M， SOPHA H， NG S， et al. High aspect ratio TiO₂ nanotube layers obtained in a very short anodization time［J］. Electrochimica Acta， 2021， 376： 138080.
[28]	ROY P， BERGER S， SCHMUKI P. TiO₂ nanotubes： synthesis and applications［J］. Angewandte Chemie International Edition， 2011， 50（13）： 2904-2939.
[29]	PODDAR S， BIT A， SINHA S K. A study on influence of anodization on the morphology of titania nanotubes over Ti6Al4V alloy in correlation to hard tissue engineering application［J］. Materials Chemistry and Physics， 2020， 254： 123457.
[30]	KIM D， GHICOV A， SCHMUKI P. TiO₂ nanotube arrays： Elimination of disordered top layers （“nanograss”） for improved photoconversion efficiency in dye-sensitized solar cells［J］. Electrochemistry Communications， 2008， 10（12）： 1835-1838.
[31]	LIU Y， PARK J， HILL E， et al. Morphology and physical characteristics of Apollo 17 dust particles［C］∥Earth & Space 2006. American Society of Civil Engineers， 2006： 1-6.
[32]	PENG M， HAN X， XIAO G Z， et al. Spherical volume elements scheme for calculating van der Waals force between irregular particles and rough surfaces［J］. Chinese Journal of Physics， 2021， 72： 645-654.
[33]	PEILLON S， AUTRICQUE A， REDOLFI M， et al. Adhesion of tungsten particles on rough tungsten surfaces using Atomic Force Microscopy［J］. Journal of Aerosol Science， 2019， 137： 105431.
[34]	HASEGAWA M， LIU J C， OKUDA K， et al. Calculation of the fractal dimensions of machined surface profiles. ［J］ Wear 1996， 192（1-2）： 40-45.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

成分	含量/wt%
成分	模拟月尘	Apollo 14163^［29］
Na₂O	4.2	0.71
MgO	5.5	8.00
Al₂O₃	18.0	19.0
SiO₂	46.0	48.50
K₂O	2.1	0.59
CaO	6.6	11.30
TiO₂	2.2	1.70
MnO	0.2	0.12
Fe₂O₃	14.0	9.20

钛合金表面纳米管直径对模拟月尘粘附性能的影响

Effect of nanotube diameter on adhesion of simulated lunar dust on titanium alloy surface

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 14

参考文献 34

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	张鑫磊, 袁也, 陈洪胜, 郑留伟, 王文先, 王璟. 选区激光增材制造钛合金构件微结构设计及力学性能[J]. 航空学报, 2025, 46(24): 431777-431777.
[2]	杨日明, 申秀丽, 董少静. 氢对TC4ELI钛合金焊接接头组织和性能的影响[J]. 航空学报, 2025, 46(15): 431439-431439.
[3]	曹正, 柴艳, 何光宇, 张兆路, 李璞, 查小晖. 压气机抗冲蚀涂层对钛合金疲劳性能的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(19): 429930-429930.
[4]	李晖, 吕海宇, 邹泽煜, 罗忠, 马辉, 韩清凯. 热环境下纤维增强复合材料圆柱壳非线性振动分析与验证[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 425642-425642.
[5]	罗圣峰, 王光健, 马小斌, 郑丽丽, 汪瑞军. 钛液滴作用下钛合金薄片火蔓延的数值模拟[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 425652-425652.
[6]	陈波, 孟正, 马程远, 席鑫, 王昕欣, 檀财旺, 宋晓国. 扫描振镜激光TC4钛合金焊接性能及熔池流动行为[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525223-525223.
[7]	肖贵坚, 刘帅, 贺毅, 刘岗, 朱升旺, 宋沙雨. 钛合金激光砂带加工的离焦控制与表面形貌[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525603-525603.
[8]	彭振龙, 张翔宇, 张德远. 航空航天难加工材料高速超声波动式切削方法[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525587-525587.
[9]	刘浩, 陈玉华, 章文滔. Ti/Al无针搅拌摩擦搭接点焊接头组织特征[J]. 航空学报, 2022, 43(2): 624680-624680.
[10]	邹祺, 叶逸云, 焦俊科, 吴志生, 徐子法, 张文武. 碳纤维增强热固性复合材料-钛合金激光连接接头性能分析[J]. 航空学报, 2022, 43(2): 625037-625037.
[11]	杨换平, 庄唯, 王耀勉, 剡文斌. 剧烈塑性变形对钛合金热氧化的影响[J]. 航空学报, 2021, 42(9): 424656-424656.
[12]	张志强, 杨凡, 张宏伟, 张天刚. 含稀土TiC_x增强钛基激光熔覆层组织与耐磨性[J]. 航空学报, 2021, 42(7): 624115-624115.
[13]	董志刚, 高宇, 康仁科, 杨国林, 鲍岩. 钛合金螺旋铣孔孔径偏差研究[J]. 航空学报, 2021, 42(3): 423841-423841.
[14]	郭怡东, 马玉娥, 李佩谣. 增材制造钛合金微桁架夹芯板低速冲击响应[J]. 航空学报, 2021, 42(2): 423820-423820.
[15]	袁经纬, 李卓, 汤海波, 程序. 热处理对激光增材制造TC4合金耐蚀性及室温压缩蠕变性能的影响[J]. 航空学报, 2021, 42(10): 524390-524390.