專利名稱：一種抗輻射復(fù)合材料及其配備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空航天領(lǐng)域電子元器件的抗輻射材料研究。
背景技術(shù)：
在太空環(huán)境中存在著來(lái)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(zhì)子、電子、高能量離子等。如果不采取相應(yīng)的抗輻射加固措施，這些輻射粒子可 直接導(dǎo)致衛(wèi)星、宇宙飛船、航天探測(cè)器等航天設(shè)備中的電子元器件在運(yùn)行過(guò)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(zhǎng)期在輻射粒子的照射 下，其內(nèi)部(晶元內(nèi)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(dāng)來(lái)自宇宙射線或太陽(yáng)的高 能單粒子(一般在數(shù)百M(fèi)eV到數(shù)百GeV的能量范圍)打擊半導(dǎo)體晶元時(shí)，因打擊過(guò)程中轉(zhuǎn) 換到晶元上的巨大能量直接對(duì)晶元造成損害而引起的失效形式。由于航天設(shè)備中電子元器件的抗輻射能力直接關(guān)系到航天裝備能否在復(fù)雜的太 空環(huán)境和軍事對(duì)抗中生存并正常運(yùn)行。因此如何確保電子元器件及電子設(shè)備在輻射環(huán)境中 可靠穩(wěn)定地工作一直是國(guó)際上的前沿性研究課題。為了抵御輻射對(duì)電子元件的傷害，目前國(guó)際上經(jīng)常采用的方法有(1)強(qiáng)化航天 設(shè)備外殼的抗輻射能力；( 使用有利于抵抗輻射的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法來(lái)降低元件承受輻 射的強(qiáng)度；C3)通過(guò)錯(cuò)誤校對(duì)和修正程序、預(yù)防性電路設(shè)計(jì)、看門狗定時(shí)器、電流限制等方 法對(duì)輻射造成的損傷尤其是單粒子沖擊造成的軟失效進(jìn)行修復(fù)；(4)使用本身即具有抗輻 射能力而無(wú)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(shè)備外殼 覆蓋抗輻射材料實(shí)施定點(diǎn)保護(hù)。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(jié)構(gòu)等方面的限制，其防輻射效果不可能無(wú)限增強(qiáng)；第( 種則對(duì)累積輻射失效和 單粒子沖擊造成的硬失效等缺少防護(hù)作用；第(4)種方法采用抗輻射晶元雖然是一項(xiàng)比較 好的選擇，但因?yàn)橹挥猩贁?shù)發(fā)達(dá)國(guó)家主要是美國(guó)才能生產(chǎn)，對(duì)于大多數(shù)國(guó)家來(lái)說(shuō)，此選項(xiàng)需 要付出的代價(jià)極為昂貴。鑒于此，在電子元器件表面覆蓋抗輻射材料實(shí)施定點(diǎn)保護(hù)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(yōu)勢(shì)包括成本低、可加固的元器件種類幾 乎沒(méi)有限制、可直接采用性能更強(qiáng)大的最新半導(dǎo)體元器件進(jìn)而大幅度提升航天設(shè)備的整體 性能等。目前國(guó)際上已經(jīng)使用或正在研發(fā)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(gòu)成的合金；利用納米技術(shù)制造的超輕 抗輻射纖維材料；由抗輻射有機(jī)材料及高原子量元素或陶瓷材料合成的多元復(fù)合材料等。其中，鋁合金雖然密度小但由于抗輻射能力相對(duì)較弱，為達(dá)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(qiáng)，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(hù)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(shù)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(fù)合材料相比仍有一 定的差距。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種高性能的抗輻射加固材料，并將其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、宇宙飛 船、航天探測(cè)器等具有重大軍事及民用價(jià)值的裝備中。通過(guò)在這些設(shè)備中所用的電子元器 件表面覆蓋這些新型多元復(fù)合材料，可保證這些重要裝備在太空環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行。但由于構(gòu)成抗輻射材料的成份比較復(fù)雜，抗輻射材料在成型后的機(jī)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(guān)。抗輻射加固材 料的制備工藝需要具有穩(wěn)定、高效、簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，使材料具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度、熱性 能、物理性能及化學(xué)穩(wěn)定性，可在航天電子器件標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的各種嚴(yán)苛條件下長(zhǎng)期正常 可靠地工作。本發(fā)明就研究出一種抗輻射復(fù)合材料，此材料包含抗輻射填料和將填料粘合在一 起的樹(shù)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(zhì)。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(nèi)，抗輻 射填料通過(guò)一定重量配比，以粉末形態(tài)用樹(shù)酯粘合劑混合并通過(guò)模具高溫?zé)Y(jié)成型形成殼 體，當(dāng)殼體厚度達(dá)到0. 75mm時(shí)，可使電子器件的抗累計(jì)輻射(TID)能力> 300kRad，抗單粒 子沖擊的能力彡45MeVcm2/mgo本發(fā)明還提供一種抗輻射復(fù)合材料的配備方法，就是將抗輻射填料與樹(shù)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(tài)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(guò)樹(shù)酯粘合劑混合。采用樹(shù)酯粘合劑可以減輕復(fù)合材料的密度(重量)，同時(shí)能保證材料的機(jī)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(jié)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(shù)酯粘合劑與所述填料粉末按一定重量百分比混合，通過(guò)模具及高溫?zé)Y(jié)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(shù)酯材料將抗輻射加固殼體 粘合在元器件表面?？馆椛浼庸虤んw與電子器件的連接要能通過(guò)機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械沖擊、高溫 老化、腐蝕、潮濕等可靠性測(cè)試。由于本發(fā)明具有輕質(zhì)、低成本等優(yōu)點(diǎn)。其應(yīng)用可以使我國(guó)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(kuò)大可選元件范圍，還可直接采用性能更 強(qiáng)大的最新半導(dǎo)體元器件進(jìn)而大幅度提升我國(guó)航天裝備的整體性能。本發(fā)明還具有制作工
4藝簡(jiǎn)單，能很容易地制成各種形狀的殼體等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的開(kāi)發(fā)流程圖；圖2是一款成型的抗輻射復(fù)合材料與電子元器件的組合示例圖；
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用樹(shù)酯粘合劑材料與部分金屬、化合物和陶瓷材料等通過(guò)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(fù)合材料。如圖1所示本發(fā)明是采用一種樹(shù)酯粘合劑與部分金屬、化合物和陶瓷材料等通過(guò)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(fù)合材料。本發(fā)明配方的獲得是首先通過(guò)理 論分析和計(jì)算優(yōu)化選擇所需要的不同材料組合，然后根據(jù)各所選材料的抗輻射性能數(shù)據(jù)經(jīng) 過(guò)最優(yōu)化計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證確定各材料的最終配比。將所選定材料與樹(shù)脂粘合劑充分混合， 通過(guò)模具及高溫?zé)Y(jié)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(shù)酯材料將抗輻射加固殼體粘合在元器件表面。經(jīng)過(guò)對(duì)覆蓋于抗輻射殼體的電子元器件進(jìn) 行抗累積輻射測(cè)試、單粒子沖擊測(cè)試和其它可靠性測(cè)試，證明這些復(fù)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(zhuǎn)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(shí)施例一的具體步驟如下一種抗輻射復(fù)合材料，包含抗輻射填料和將填料粘合在一起的樹(shù)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(zhì)。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(fā)明抗累積輻射(TID)能力和抗單粒子沖擊的能力 分別達(dá)到3(^kRad( = 3. 05kGy)和45MeVCm2/mg時(shí)所用填料的配比及數(shù)據(jù)。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(tài)按照一定重量百分比配合在一起，并通過(guò)樹(shù)酯粘 合劑混合，其中與樹(shù)酯粘合劑的重量百分比如表一所示，然后經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)工藝按照不同 電子元器件外形制作的殼體，其中高溫?zé)Y(jié)的溫度與時(shí)間如表一所示。2是一款所要保護(hù)的元器件。3是通過(guò)采用耐高溫樹(shù)酯材料把殼體粘合在元器件表面后的示意圖。
通過(guò)上述配比，在殼體厚度達(dá)到0. 75mm時(shí)可使電子器件的抗累積輻射(TID)能力 達(dá)到3(^kRad( = 3. 05kGy)，抗單粒子沖擊的能力達(dá)到45MeVcm2/mg。表一
權(quán)利要求
1.一種抗輻射復(fù)合材料，包含抗輻射填料和將填料粘合在一起的樹(shù)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(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗輻射復(fù)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(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗輻射復(fù)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(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的抗輻射復(fù)合材料，其特征是對(duì)所述填料進(jìn)行重量配比， 通過(guò)樹(shù)酯粘合劑混合并高溫?zé)Y(jié)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(fù)合材料的配備方法，其特征是將抗輻射填料與樹(shù)酯粘合劑混合，制成 殼體后粘合在元器件表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的抗輻射復(fù)合材料，其特征是所述抗輻射填料以粉末形態(tài)與樹(shù) 酯粘合劑混合。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或權(quán)利要求5所述的抗輻射復(fù)合材料，其特征是所述抗輻射填料 以粉末形態(tài)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(guò)樹(shù)酯粘 合劑混合。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的抗輻射復(fù)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(jù)權(quán)利要求7所述的抗輻射復(fù)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(guò)高溫?zé)Y(jié)工藝制成的。
10.根據(jù)權(quán)利要求4、7或8所述的抗輻射復(fù)合材料，其特征是所述殼體用耐高溫樹(shù)酯材 料粘合在元器件表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及航空航天領(lǐng)域電子元器件的抗輻射材料研究。一種抗輻射復(fù)合材料，包含抗輻射填料和將填料粘合在一起的樹(shù)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(zhì)。所述物質(zhì)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(duì)所述填料進(jìn)行重量配比，通過(guò)樹(shù)酯粘合劑混合并高溫?zé)Y(jié)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(hào)C09K3/00GK102127391SQ20101052988
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者劉立東 申請(qǐng)人:北京統(tǒng)合萬(wàn)方科技有限公司