一種抗輻射復合材料及其配備方法

專利名稱：一種抗輻射復合材料及其配備方法
技術領域：
本發明涉及航空航天領域電子元器件的抗輻射材料研究。
背景技術：
在太空環境中存在著來源于宇宙空間的各種輻射粒子如α粒子、β粒子、Υ射 線、X光、質子、電子、高能量離子等。如果不采取相應的抗輻射加固措施，這些輻射粒子可 直接導致衛星、宇宙飛船、航天探測器等航天設備中的電子元器件在運行過程中失效，失效 形式主要包括1.累積輻射失效(TID-Total Ionization Dose)指元件長期在輻射粒子的照射 下，其內部(晶元內部)由于能量不斷累積造成的失效。2.單粒子沖擊失效(SEE-Single Event Effect)指當來自宇宙射線或太陽的高 能單粒子(一般在數百MeV到數百GeV的能量范圍)打擊半導體晶元時，因打擊過程中轉 換到晶元上的巨大能量直接對晶元造成損害而引起的失效形式。由于航天設備中電子元器件的抗輻射能力直接關系到航天裝備能否在復雜的太 空環境和軍事對抗中生存并正常運行。因此如何確保電子元器件及電子設備在輻射環境中 可靠穩定地工作一直是國際上的前沿性研究課題。為了抵御輻射對電子元件的傷害，目前國際上經常采用的方法有(1)強化航天 設備外殼的抗輻射能力；( 使用有利于抵抗輻射的優化結構設計方法來降低元件承受輻 射的強度；C3)通過錯誤校對和修正程序、預防性電路設計、看門狗定時器、電流限制等方 法對輻射造成的損傷尤其是單粒子沖擊造成的軟失效進行修復；(4)使用本身即具有抗輻 射能力而無需增加其它防輻射措施的電子元器件；( 在電子元器件表面或電子設備外殼 覆蓋抗輻射材料實施定點保護。在以上各種抗輻射加固方法中，第(1)和第( 種由于受到航天裝備形狀、重量、 體積和結構等方面的限制，其防輻射效果不可能無限增強；第( 種則對累積輻射失效和 單粒子沖擊造成的硬失效等缺少防護作用；第(4)種方法采用抗輻射晶元雖然是一項比較 好的選擇，但因為只有少數發達國家主要是美國才能生產，對于大多數國家來說，此選項需 要付出的代價極為昂貴。鑒于此，在電子元器件表面覆蓋抗輻射材料實施定點保護的抗輻射加固措施(第 (5)種)是比較好的抗輻射手段。這種方法的顯著優勢包括成本低、可加固的元器件種類幾 乎沒有限制、可直接采用性能更強大的最新半導體元器件進而大幅度提升航天設備的整體 性能等。目前國際上已經使用或正在研發的抗輻射加固材料主要有單一金屬材料如鋁、 鉛、鎢等；合金材料，如鎢銅合金、或鉍、錫、鉛、鎢等構成的合金；利用納米技術制造的超輕 抗輻射纖維材料；由抗輻射有機材料及高原子量元素或陶瓷材料合成的多元復合材料等。其中，鋁合金雖然密度小但由于抗輻射能力相對較弱，為達到防輻射要求必須具 備一定的厚度，因此增加的體積和重量都較大。而鉛、鎢等金屬抗輻射能力強，但由于密度大，增加的重量比較顯著，因此這種單一金屬的防護材料很難在電子元器件上大量采用。鎢 銅合金等合金材料雖然比單純的鉛、鎢等金屬重量有所減輕，但減輕的幅度不大；利用納米 技術制造的纖維材料雖然能大幅度地減低重量，但抗輻射能力與多元復合材料相比仍有一 定的差距。

發明內容
本發明旨在提供一種高性能的抗輻射加固材料，并將其廣泛應用于衛星、宇宙飛 船、航天探測器等具有重大軍事及民用價值的裝備中。通過在這些設備中所用的電子元器 件表面覆蓋這些新型多元復合材料，可保證這些重要裝備在太空環境中長時間正常運行。但由于構成抗輻射材料的成份比較復雜，抗輻射材料在成型后的機械性能、熱性 能、絕緣性能、耐腐蝕、潮濕的能力以及可靠性等均與制造工藝密切相關。抗輻射加固材 料的制備工藝需要具有穩定、高效、簡單、成本低等特點，使材料具備足夠的機械強度、熱性 能、物理性能及化學穩定性，可在航天電子器件標準中所規定的各種嚴苛條件下長期正常 可靠地工作。本發明就研究出一種抗輻射復合材料，此材料包含抗輻射填料和將填料粘合在一 起的樹酯粘合劑，其特征是所述抗輻射填料包含重金屬元素、金屬元素、稀土元素、以及非 金屬元素等物質。所述重金屬元素包含鎢(W)元素和鉛(Pb)元素或這些元素的化合物(含 氧化物)，金屬元素包含錫(Sn)元素或其元素的化合物(含氧化物)，稀土元素包含釓(Gd) 元素和鈰(Ce)元素或這些元素的化合物(含氧化物)，非金屬元素包含硼(B)元素或其元 素的化合物(含氧化物)。在1.5μπι(8000目)至20μπι(700目)的顆粒度范圍內，抗輻 射填料通過一定重量配比，以粉末形態用樹酯粘合劑混合并通過模具高溫燒結成型形成殼 體，當殼體厚度達到0. 75mm時，可使電子器件的抗累計輻射(TID)能力> 300kRad，抗單粒 子沖擊的能力彡45MeVcm2/mgo本發明還提供一種抗輻射復合材料的配備方法，就是將抗輻射填料與樹酯粘合劑 混合，制成殼體后粘合在元器件表面。其中，所述抗輻射填料以粉末形態按照一定重量百分比配合在一起，鎢(W)或其 化合物60% 士 10%;鉛(Pb)或其化合物20% 士 10%;錫(Sn)或其化合物5% 士3%;釓 (Gd)或其化合物士 0. 3% ；硼(B)或其化合物13% 士 5% ；鈰(Ce)或其化合物
士 0. 3%，并通過樹酯粘合劑混合。采用樹酯粘合劑可以減輕復合材料的密度(重量)，同時能保證材料的機械、抗腐 蝕、抗潮濕等性能；采用高原子量元素、化合物及陶瓷材料等相結合的方式使材料能有效防 止電子元器件在累積輻射和單粒子沖擊條件下造成的失效。樹酯粘合劑與所述填料粉末按一定重量百分比混合，通過模具及高溫燒結工藝按 照不同電子元器件的外形制作成抗輻射加固殼體，再用耐高溫樹酯材料將抗輻射加固殼體 粘合在元器件表面。抗輻射加固殼體與電子器件的連接要能通過機械振動、機械沖擊、高溫 老化、腐蝕、潮濕等可靠性測試。由于本發明具有輕質、低成本等優點。其應用可以使我國的航天裝備直接選擇商 用或一般軍用電子元器件，不但能降低元件成本、擴大可選元件范圍，還可直接采用性能更 強大的最新半導體元器件進而大幅度提升我國航天裝備的整體性能。本發明還具有制作工
4藝簡單，能很容易地制成各種形狀的殼體等優點。


圖1是本發明的開發流程圖；圖2是一款成型的抗輻射復合材料與電子元器件的組合示例圖；
具體實施例方式本發明采用樹酯粘合劑材料與部分金屬、化合物和陶瓷材料等通過特殊的粉末冶 金制作工藝合成新型高性能抗輻射加固多元復合材料。如圖1所示本發明是采用一種樹酯粘合劑與部分金屬、化合物和陶瓷材料等通過特殊的粉末 冶金制作工藝合成新型高性能抗輻射加固多元復合材料。本發明配方的獲得是首先通過理 論分析和計算優化選擇所需要的不同材料組合，然后根據各所選材料的抗輻射性能數據經 過最優化計算和試驗驗證確定各材料的最終配比。將所選定材料與樹脂粘合劑充分混合， 通過模具及高溫燒結工藝按照不同電子元器件的外形制作成抗輻射加固殼體，再用耐高溫 樹酯材料將抗輻射加固殼體粘合在元器件表面。經過對覆蓋于抗輻射殼體的電子元器件進 行抗累積輻射測試、單粒子沖擊測試和其它可靠性測試，證明這些復合材料不但能有效吸 收或阻斷造成電子元器件累積輻射失效(TID)的低能粒子，而且能最大限度地消耗、減少 高能重粒子的能量并將其轉化成不能造成單粒子沖擊失效(SEE)的低能粒子，因此極大地 提高電子元器件抗累積輻射失效和單粒子沖擊失效的能力。實施例一的具體步驟如下一種抗輻射復合材料，包含抗輻射填料和將填料粘合在一起的樹酯粘合劑，其特 征是所述抗輻射填料包含重金屬元素、金屬元素、稀土元素、以及非金屬元素等物質。所述 重金屬元素包含鎢(W)元素和鉛(Pb)元素或這些元素的化合物(含氧化物)，金屬元素包 含錫(Sn)元素或其元素的化合物(含氧化物)，稀土元素包含釓(Gd)元素和鈰(Ce)元素 或這些元素的化合物(含氧化物)，非金屬元素包含硼(B)元素或其元素的化合物(含氧化 物)。所述填料為粉末狀，表一為本發明抗累積輻射(TID)能力和抗單粒子沖擊的能力 分別達到3(^kRad( = 3. 05kGy)和45MeVCm2/mg時所用填料的配比及數據。顆粒度范圍如表一所示在1.5μπι(8000目)M 20 μ m(700目)之間。所述填料的重量百分比如表一所示為鎢(W)或其化合物53%、鉛(Pb)或其 化合物25%、錫(Sn)或其化合物5%、釓(Gd)或其化合物0. 8%、硼(B)或其化合物 15. 5%、鈰(Ce)或其化合物0. 7%。如圖2所示1是所述抗輻射填料以粉末形態按照一定重量百分比配合在一起，并通過樹酯粘 合劑混合，其中與樹酯粘合劑的重量百分比如表一所示，然后經過高溫燒結工藝按照不同 電子元器件外形制作的殼體，其中高溫燒結的溫度與時間如表一所示。2是一款所要保護的元器件。3是通過采用耐高溫樹酯材料把殼體粘合在元器件表面后的示意圖。
通過上述配比，在殼體厚度達到0. 75mm時可使電子器件的抗累積輻射(TID)能力 達到3(^kRad( = 3. 05kGy)，抗單粒子沖擊的能力達到45MeVcm2/mg。表一
權利要求
1.一種抗輻射復合材料，包含抗輻射填料和將填料粘合在一起的樹酯粘合劑，其特征 是所述抗輻射填料包含重金屬元素、金屬元素、稀土元素、以及非金屬元素等物質。
2.根據權利要求1所述的抗輻射復合材料，其特征是所述重金屬元素包含鎢(W)元素 和鉛(Pb)元素或這些元素的化合物(含氧化物)，金屬元素包含錫(Sn)元素或其元素的化 合物(含氧化物)，稀土元素包含釓(Gd)元素和鈰(Ce)元素或這些元素的化合物(含氧化 物)，非金屬元素包含硼(B)元素或其元素的化合物(含氧化物)。
3.根據權利要求1或2所述的抗輻射復合材料，其特征是所述填料為粉末狀，顆粒度范 圍在 1. 5μπι(8000 目)至 20 μ m(700 目)之間。
4.根據權利要求1、2或3所述的抗輻射復合材料，其特征是對所述填料進行重量配比， 通過樹酯粘合劑混合并高溫燒結形成覆蓋在電子元器件外表面的抗輻射加固殼體，可使電 子器件的抗累積輻射(TID)能力彡300kRad，抗單粒子沖擊的能力彡45MeVCm7mg。
5.一種抗輻射復合材料的配備方法，其特征是將抗輻射填料與樹酯粘合劑混合，制成 殼體后粘合在元器件表面。
6.根據權利要求4所述的抗輻射復合材料，其特征是所述抗輻射填料以粉末形態與樹 酯粘合劑混合。
7.根據權利要求4或權利要求5所述的抗輻射復合材料，其特征是所述抗輻射填料 以粉末形態按照一定重量百分比配合在一起，其中，鎢(W)或其化合物60% 士 10% ；鉛 (Pb)或其化合物20% 士 10% ；錫(Sn)或其化合物5% 士3% ；釓(Gd)或其化合物士 0. 3% ；硼⑶或其化合物13% 士 5% ；鈰(Ce)或其化合物士 0. 3 %，并通過樹酯粘 合劑混合。
8.根據權利要求4所述的抗輻射復合材料，其特征是所述殼體可按照不同電子元器件 的外形制作成型。
9.根據權利要求7所述的抗輻射復合材料，其特征是所述按照不同電子元器件外形制 作的殼體是通過高溫燒結工藝制成的。
10.根據權利要求4、7或8所述的抗輻射復合材料，其特征是所述殼體用耐高溫樹酯材 料粘合在元器件表面。
全文摘要
本發明涉及航空航天領域電子元器件的抗輻射材料研究。一種抗輻射復合材料，包含抗輻射填料和將填料粘合在一起的樹酯粘合劑，其特征是所述抗輻射填料包含重金屬元素、金屬元素、稀土元素、以及非金屬元素等物質。所述物質包含鎢(W)、鉛(Pb)、錫(Sn)、釓(Gd)、硼(B)和鈰(Ce)元素或這些元素的化合物(含氧化物)。所述填料為粉末狀，顆粒度范圍在1.5μm(8000目)至20μm(700目)之間。對所述填料進行重量配比，通過樹酯粘合劑混合并高溫燒結形成覆蓋在電子元器件外表面的抗輻射加固殼體，可使電子器件的抗累積輻射(TID)能力≥300kRad，抗單粒子沖擊的能力≥45MeVcm2/mg。
文檔編號C09K3/00GK102127391SQ20101052988
公開日2011年7月20日 申請日期2010年11月3日 優先權日2010年11月3日
發明者劉立東 申請人:北京統合萬方科技有限公司