[发明专利]用于宇航级芯片总剂量效应防护的稀土-高Z-石墨烯-复合涂层及其制备方法

说明书

用于宇航级芯片总剂量效应防护的稀土‑高Z‑石墨烯‑复合涂层及其制备方法，属于辐射防护技术领域。本发明为了解决现有空间抗总剂量效应防护材料性能单一的技术问题。本发明是由功能填料和树脂基体组成的。所述的功能填料是由表面定向排布有稀土金属氧化物与高Z材料的石墨烯纳米卷组成，然后将其与树脂基体混合，利用超声辅助热喷涂装置将其涂覆于宇航级芯片表面，分段固化成型。本发明可有效提高复合涂层整体的总剂量效应辐照性能，有效防止辐照对涂层及基底产生降解和性能退化作用。

技术领域

本发明属于辐射防护技术领域，具体涉及到用于宇航级芯片总剂量效应防护的稀土-高Z-石墨烯-复合涂层及其制备方法。

背景技术

总剂量效应是指辐射在氧化层中感应的陷阱电荷导致的器件性能退化。对于宇航级器件，尤其是宇航级芯片，辐射不仅在栅氧中产生陷阱电荷和界面态电荷，同时也会在场隔离氧化层和隐埋氧化层等其他介质中产生。这些辐射诱生的电荷会造成器件关态漏电和边缘漏电增加，导致集成电路静态功耗增加甚至功能失效。因此只有解决了芯片的抗总剂量加固的问题，才能为芯片技术的宇航级应用排除障碍，更好地将其应用在抗辐射加固的微电子产品中。

发明内容

多数稀土元素属于重金属元素，对γ射线的屏蔽效果比硼等低Z元素明显，此外，稀土元素原子结构特殊，具有弥补铅的＂弱吸收区＂的优势，而且其对热中子的n、γ反应截面的面积高出硼几十倍，与慢中子和中能中子的反应截面同样比硼高数倍。众多优势使稀土防辐射材料设计和制备成为防辐射材料的研究重点。石墨烯是一种新的二维碳材料，与传统碳材料相比，具有更加优异的物理、化学和机械性能。此外石墨烯优异的导电性能，能够起到一定的抗电子辐照，且对中子有较高的散射截面和低的吸收截面，是优异的中子减速剂。其中石墨烯纳米卷是由单层或多层二维平面石墨烯卷曲而成，具有开放式结构。除具有高机械强度、高导热性和高导电性之外，其电子传输发生在整个体系中，因为有着非同寻常的电学和光学性能。

针对以上现有研究成果，本发明提出用于宇航级芯片总剂量效应防护的稀土-高Z-石墨烯-复合涂层及其制备方法，通过球磨工艺将稀土金属氧化物与高Z进行复合，形成核壳结构，再将复合颗粒定向排布于石墨烯纳米卷的表面，再与树脂基体复合，制备成涂层。当复合材料在树脂基体中分散开后，会在微观结构上形成多层交替的结构，这对于制备多层交替材料的工艺进行了简化，同时使材料具备更好的电子、中子和γ射线的屏蔽能力。

本发明为了解决现有空间抗总剂量效应防护材料性能单一的技术问题，用于宇航级芯片总剂量效应防护的稀土-高Z-石墨烯-复合涂层及其制备方法。

本发明的技术方案：

用于宇航级芯片总剂量效应防护的稀土-高Z-石墨烯-复合涂层是由功能填料和树脂基体组成的。所述的功能填料是由表面定向排布有稀土金属氧化物与高Z材料的石墨烯纳米卷组成，其中，功能填料占所述复合涂层的质量分数10％～50％。具体步骤如下：步骤一、将稀土金属氧化物、高Z金属材料和ZrO₂磨球一起放入ZrO₂内衬的球磨罐中，盖上盖后利用罐盖上预留的两个充气孔通入高纯氩气(质量浓度为99.99％)以把空气彻底排干净，将球磨罐固定于球磨机里，设定参数后运行球磨机开始球磨，在球磨过程中要定期开罐进行检查，当材料发生粘罐或是结块，应将结块粉碎并剥离罐体后重新充入载气后继续球磨，待球磨结束以后，冷却球磨罐至室温后取出试样，为防止样品高温下与空气接触而氧化，取出制备好的样品密封保存(如放入样品袋中)备用，得到复合粉体材料；

步骤二、将0.25g石墨烯纳米卷溶解到200mL的乙二醇中，超声震荡15min，得到均匀的石墨烯分散液；加入1.0g步骤一制得的复合粉体材料，继续超声震荡15min，然后在180℃的高温下回流24h，过滤，先用无水乙醇洗涤3-5次再去离子水洗涤3-5次，然后在60℃下真空干燥箱中12h。

进一步地限定，稀土金属氧化物与高Z金属材料的质量比为(1～5):1。