[发明专利]一种抗辐射复合材料及其配备方法

说明书

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。