CN102127391A - 一种抗辐射复合材料及其配备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空航天领域电子元器件的抗辐射材料研究。一种抗辐射复合材料，包含抗辐射填料和将填料粘合在一起的树酯粘合剂，其特征是所述抗辐射填料包含重金属元素、金属元素、稀土元素、以及非金属元素等物质。所述物质包含钨(W)、铅(Pb)、锡(Sn)、钆(Gd)、硼(B)和铈(Ce)元素或这些元素的化合物(含氧化物)。所述填料为粉末状，颗粒度范围在1.5μm(8000目)至20μm(700目)之间。对所述填料进行重量配比，通过树酯粘合剂混合并高温烧结形成覆盖在电子元器件外表面的抗辐射加固壳体，可使电子器件的抗累积辐射(TID)能力≥300kRad，抗单粒子冲击的能力≥45MeVcm2/mg。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天领域电子元器件的抗辐射材料研究。
背景技术
在太空环境中存在着来源于宇宙空间的各种辐射粒子如α粒子、β粒子、γ射线、X光、质子、电子、高能量离子等。如果不采取相应的抗辐射加固措施，这些辐射粒子可直接导致卫星、宇宙飞船、航天探测器等航天设备中的电子元器件在运行过程中失效，失效形式主要包括：
1.累积辐射失效(TID-Total Ionization Dose)：指元件长期在辐射粒子的照射下，其内部(晶元内部)由于能量不断累积造成的失效。
2.单粒子冲击失效(SEE-Single Event Effect)：指当来自宇宙射线或太阳的高能单粒子(一般在数百MeV到数百GeV的能量范围)打击半导体晶元时，因打击过程中转换到晶元上的巨大能量直接对晶元造成损害而引起的失效形式。
由于航天设备中电子元器件的抗辐射能力直接关系到航天装备能否在复杂的太空环境和军事对抗中生存并正常运行。因此如何确保电子元器件及电子设备在辐射环境中可靠稳定地工作一直是国际上的前沿性研究课题。
为了抵御辐射对电子元件的伤害，目前国际上经常采用的方法有：(1)强化航天设备外壳的抗辐射能力；(2)使用有利于抵抗辐射的优化结构设计方法来降低元件承受辐射的强度；(3)通过错误校对和修正程序、预防性电路设计、看门狗定时器、电流限制等方法对辐射造成的损伤尤其是单粒子冲击造成的软失效进行修复；(4)使用本身即具有抗辐射能力而无需增加其它防辐射措施的电子元器件；(5)在电子元器件表面或电子设备外壳覆盖抗辐射材料实施定点保护。
在以上各种抗辐射加固方法中，第(1)和第(2)种由于受到航天装备形状、重量、体积和结构等方面的限制，其防辐射效果不可能无限增强；第(3)种则对累积辐射失效和单粒子冲击造成的硬失效等缺少防护作用；第(4)种方法采用抗辐射晶元虽然是一项比较好的选择，但因为只有少数发达国家主要是美国才能生产，对于大多数国家来说，此选项需要付出的代价极为昂贵。
鉴于此，在电子元器件表面覆盖抗辐射材料实施定点保护的抗辐射加固措施(第(5)种)是比较好的抗辐射手段。这种方法的显著优势包括成本低、可加固的元器件种类几乎没有限制、可直接采用性能更强大的最新半导体元器件进而大幅度提升航天设备的整体性能等。
目前国际上已经使用或正在研发的抗辐射加固材料主要有：单一金属材料如铝、铅、钨等；合金材料，如钨铜合金、或铋、锡、铅、钨等构成的合金；利用纳米技术制造的超轻抗辐射纤维材料；由抗辐射有机材料及高原子量元素或陶瓷材料合成的多元复合材料等。
其中，铝合金虽然密度小但由于抗辐射能力相对较弱，为达到防辐射要求必须具备一定的厚度，因此增加的体积和重量都较大。而铅、钨等金属抗辐射能力强，但由于密度大，增加的重量比较显著，因此这种单一金属的防护材料很难在电子元器件上大量采用。钨铜合金等合金材料虽然比单纯的铅、钨等金属重量有所减轻，但减轻的幅度不大；利用纳米技术制造的纤维材料虽然能大幅度地减低重量，但抗辐射能力与多元复合材料相比仍有一定的差距。
发明内容
本发明旨在提供一种高性能的抗辐射加固材料，并将其广泛应用于卫星、宇宙飞船、航天探测器等具有重大军事及民用价值的装备中。通过在这些设备中所用的电子元器件表面覆盖这些新型多元复合材料，可保证这些重要装备在太空环境中长时间正常运行。
但由于构成抗辐射材料的成份比较复杂，抗辐射材料在成型后的机械性能、热性能、绝缘性能、耐腐蚀、潮湿的能力以及可靠性等均与制造工艺密切相关。抗辐射加固材料的制备工艺需要具有稳定、高效、简单、成本低等特点，使材料具备足够的机械强度、热性能、物理性能及化学稳定性，可在航天电子器件标准中所规定的各种严苛条件下长期正常可靠地工作。
本发明就研究出一种抗辐射复合材料，此材料包含抗辐射填料和将填料粘合在一起的树酯粘合剂，其特征是所述抗辐射填料包含重金属元素、金属元素、稀土元素、以及非金属元素等物质。所述重金属元素包含钨(W)元素和铅(Pb)元素或这些元素的化合物(含氧化物)，金属元素包含锡(Sn)元素或其元素的化合物(含氧化物)，稀土元素包含钆(Gd)元素和铈(Ce)元素或这些元素的化合物(含氧化物)，非金属元素包含硼(B)元素或其元素的化合物(含氧化物)。在1.5μm(8000目)至20μm(700目)的颗粒度范围内，抗辐射填料通过一定重量配比，以粉末形态用树酯粘合剂混合并通过模具高温烧结成型形成壳体，当壳体厚度达到0.75mm时，可使电子器件的抗累计辐射(TID)能力≥300kRad，抗单粒子冲击的能力≥45MeVcm2/mg。
本发明还提供一种抗辐射复合材料的配备方法，就是将抗辐射填料与树酯粘合剂混合，制成壳体后粘合在元器件表面。
其中，所述抗辐射填料以粉末形态按照一定重量百分比配合在一起，钨(W)或其化合物：60％±10％；铅(Pb)或其化合物：20％±10％；锡(Sn)或其化合物：5％±3％；钆(Gd)或其化合物：1％±0.3％；硼(B)或其化合物：13％±5％；铈(Ce)或其化合物：1％±0.3％，并通过树酯粘合剂混合。
采用树酯粘合剂可以减轻复合材料的密度(重量)，同时能保证材料的机械、抗腐蚀、抗潮湿等性能；采用高原子量元素、化合物及陶瓷材料等相结合的方式使材料能有效防止电子元器件在累积辐射和单粒子冲击条件下造成的失效。
树酯粘合剂与所述填料粉末按一定重量百分比混合，通过模具及高温烧结工艺按照不同电子元器件的外形制作成抗辐射加固壳体，再用耐高温树酯材料将抗辐射加固壳体粘合在元器件表面。抗辐射加固壳体与电子器件的连接要能通过机械振动、机械冲击、高温老化、腐蚀、潮湿等可靠性测试。
由于本发明具有轻质、低成本等优点。其应用可以使我国的航天装备直接选择商用或一般军用电子元器件，不但能降低元件成本、扩大可选元件范围，还可直接采用性能更强大的最新半导体元器件进而大幅度提升我国航天装备的整体性能。本发明还具有制作工艺简单，能很容易地制成各种形状的壳体等优点。
附图说明
图1是本发明的开发流程图；
图2是一款成型的抗辐射复合材料与电子元器件的组合示例图；
具体实施方式
本发明采用树酯粘合剂材料与部分金属、化合物和陶瓷材料等通过特殊的粉末冶金制作工艺合成新型高性能抗辐射加固多元复合材料。
如图1所示：
本发明是采用一种树酯粘合剂与部分金属、化合物和陶瓷材料等通过特殊的粉末冶金制作工艺合成新型高性能抗辐射加固多元复合材料。本发明配方的获得是首先通过理论分析和计算优化选择所需要的不同材料组合，然后根据各所选材料的抗辐射性能数据经过最优化计算和试验验证确定各材料的最终配比。将所选定材料与树脂粘合剂充分混合，通过模具及高温烧结工艺按照不同电子元器件的外形制作成抗辐射加固壳体，再用耐高温树酯材料将抗辐射加固壳体粘合在元器件表面。经过对覆盖于抗辐射壳体的电子元器件进行抗累积辐射测试、单粒子冲击测试和其它可靠性测试，证明这些复合材料不但能有效吸收或阻断造成电子元器件累积辐射失效(TID)的低能粒子，而且能最大限度地消耗、减少高能重粒子的能量并将其转化成不能造成单粒子冲击失效(SEE)的低能粒子，因此极大地提高电子元器件抗累积辐射失效和单粒子冲击失效的能力。
实施例一的具体步骤如下：
一种抗辐射复合材料，包含抗辐射填料和将填料粘合在一起的树酯粘合剂，其特征是所述抗辐射填料包含重金属元素、金属元素、稀土元素、以及非金属元素等物质。所述重金属元素包含钨(W)元素和铅(Pb)元素或这些元素的化合物(含氧化物)，金属元素包含锡(Sn)元素或其元素的化合物(含氧化物)，稀土元素包含钆(Gd)元素和铈(Ce)元素或这些元素的化合物(含氧化物)，非金属元素包含硼(B)元素或其元素的化合物(含氧化物)。
所述填料为粉末状，表一为本发明抗累积辐射(TID)能力和抗单粒子冲击的能力分别达到305kRad(＝3.05kGy)和45MeVcm2/mg时所用填料的配比及数据。
颗粒度范围如表一所示在1.5μm(8000目)至20μm(700目)之间。
所述填料的重量百分比如表一所示为：钨(W)或其化合物：53％、铅(Pb)或其化合物：25％、锡(Sn)或其化合物：5％、钆(Gd)或其化合物：0.8％、硼(B)或其化合物：15.5％、铈(Ce)或其化合物：0.7％。
如图2所示：
1是所述抗辐射填料以粉末形态按照一定重量百分比配合在一起，并通过树酯粘合剂混合，其中与树酯粘合剂的重量百分比如表一所示，然后经过高温烧结工艺按照不同电子元器件外形制作的壳体，其中高温烧结的温度与时间如表一所示。
2是一款所要保护的元器件。
3是通过采用耐高温树酯材料把壳体粘合在元器件表面后的示意图。
通过上述配比，在壳体厚度达到0.75mm时可使电子器件的抗累积辐射(TID)能力达到305kRad(＝3.05kGy)，抗单粒子冲击的能力达到45MeVcm2/mg。
表一
实施例二的具体步骤如下：
一种抗辐射复合材料，包含抗辐射填料和将填料粘合在一起的树酯粘合剂，其特征是所述抗辐射填料包含重金属元素、金属元素、稀土元素、以及非金属元素等物质。所述重金属元素包含钨(W)元素和铅(Pb)元素或这些元素的化合物(含氧化物)，金属元素包含锡(Sn)元素或其元素的化合物(含氧化物)，稀土元素包含钆(Gd)元素和铈(Ce)元素或这些元素的化合物(含氧化物)，非金属元素包含硼(B)元素或其元素的化合物(含氧化物)。
所述填料为粉末状，表二为本发明抗累积辐射(TID)能力和抗单粒子冲击的能力分别达到335kRad(＝3.35kGy)和50MeVcm2/mg时所用填料的配比及数据。
颗粒度范围如表二所示在1.5μm(8000目)至20μm(700目)之间。
所述填料的重量百分比如表二所示为：钨(W)或其化合物：60％、铅(Pb)或其化合物：20％、锡(Sn)或其化合物：5％、钆(Gd)或其化合物：1％、硼(B)或其化合物：13％、铈(Ce)或其化合物：1％。
如图2所示：
1是所述抗辐射填料以粉末形态按照一定重量百分比配合在一起，并通过树酯粘合剂混合，其中与树酯粘合剂的重量百分比如表二所示，然后经过高温烧结工艺按照不同电子元器件外形制作的壳体，其中高温烧结的温度与时间比如表二所示。
2是一款所要保护的元器件。
3是通过采用耐高温树酯材料把壳体粘合在元器件表面后的示意图。
通过上述配比，在壳体厚度达到0.75mm时可使电子器件的抗累积辐射(TID)能力达到335kRad(＝3.35kGy)，抗单粒子冲击的能力达到50MeVcm2/mg。
表二
实施例三的具体步骤如下：
一种抗辐射复合材料，包含抗辐射填料和将填料粘合在一起的树酯粘合剂，其特征是所述抗辐射填料包含重金属元素、金属元素、稀土元素、以及非金属元素等物质。所述重金属元素包含钨(W)元素和铅(Pb)元素或这些元素的化合物(含氧化物)，金属元素包含锡(Sn)元素或其元素的化合物(含氧化物)，稀土元素包含钆(Gd)元素和铈(Ce)元素或这些元素的化合物(含氧化物)，非金属元素包含硼(B)元素或其元素的化合物(含氧化物)。
所述填料为粉末状，表三为本发明抗累积辐射(TID)能力和抗单粒子冲击的能力分别达到4155kRad(＝4.15kGy)和65MeVcm2/mg时所用填料的配比及数据；
颗粒度范围如表三所示在1.5μm(8000目)至20μm(700目)之间。
所述填料的重量百分比为：钨(W)或其化合物：70％、铅(Pb)或其化合物：10％、锡(Sn)或其化合物：8％、钆(Gd)或其化合物：1.2％、硼(B)或其化合物：9.5％、铈(Ce)或其化合物：1.3％。
如图2所示：
1是所述抗辐射填料以粉末形态按照一定重量百分比配合在一起，并通过树酯粘合剂混合，其中与树酯粘合剂的重量百分比如表三所示，然后通过高文烧结工艺按照不同电子元器件外形制作的壳体，其中高温烧结的温度与时间比如表三所示。
2是一款所要保护的元器件。
3是通过采用耐高温树酯材料把壳体粘合在元器件表面后的示意图。
通过上述配比，在壳体厚度达到0.75mm时，可使电子器件的抗累积辐射(TID)能力达到415kRad(＝4.15kGy)，抗单粒子冲击的能力达到65MeVcm2/mg。
表三
Claims (10)
1.一种抗辐射复合材料，包含抗辐射填料和将填料粘合在一起的树酯粘合剂，其特征是所述抗辐射填料包含重金属元素、金属元素、稀土元素、以及非金属元素等物质。
2.根据权利要求1所述的抗辐射复合材料，其特征是所述重金属元素包含钨(W)元素和铅(Pb)元素或这些元素的化合物(含氧化物)，金属元素包含锡(Sn)元素或其元素的化合物(含氧化物)，稀土元素包含钆(Gd)元素和铈(Ce)元素或这些元素的化合物(含氧化物)，非金属元素包含硼(B)元素或其元素的化合物(含氧化物)。
3.根据权利要求1或2所述的抗辐射复合材料，其特征是所述填料为粉末状，颗粒度范围在1.5μm(8000目)至20μm(700目)之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的抗辐射复合材料，其特征是对所述填料进行重量配比，通过树酯粘合剂混合并高温烧结形成覆盖在电子元器件外表面的抗辐射加固壳体，可使电子器件的抗累积辐射(TID)能力≥300kRad，抗单粒子冲击的能力≥45MeVcm2/mg。
5.一种抗辐射复合材料的配备方法，其特征是将抗辐射填料与树酯粘合剂混合，制成壳体后粘合在元器件表面。
6.根据权利要求4所述的抗辐射复合材料，其特征是所述抗辐射填料以粉末形态与树酯粘合剂混合。
7.根据权利要求4或权利要求5所述的抗辐射复合材料，其特征是所述抗辐射填料以粉末形态按照一定重量百分比配合在一起，其中，钨(W)或其化合物：60％±10％；铅(Pb)或其化合物：20％±10％；锡(Sn)或其化合物：5％±3％；钆(Gd)或其化合物：1％±0.3％；硼(B)或其化合物：13％±5％；铈(Ce)或其化合物：1％±0.3％，并通过树酯粘合剂混合。
8.根据权利要求4所述的抗辐射复合材料，其特征是所述壳体可按照不同电子元器件的外形制作成型。
9.根据权利要求7所述的抗辐射复合材料，其特征是所述按照不同电子元器件外形制作的壳体是通过高温烧结工艺制成的。
10.根据权利要求4、7或8所述的抗辐射复合材料，其特征是所述壳体用耐高温树酯材料粘合在元器件表面。
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