SiC_p_Al复合材料的...(11+)离子辐照实验研究_郭义盼.pdf

SiCSiCp p/A/Al l 复合材料复合材料的的 FeFe11+11+离子辐照实验研究离子辐照实验研究郭义盼，张同林，常浩刚，苏洋帆，张余炼，魏志勇（南京航空航天大学航天学院，南京211106）摘要：为了解辐照对航天电子元器件封装基板复合材料 SiCp/Al 的影响，利用 3MeVFe11+束流进行了不同注量下的辐照实验。辐照完成后，利用 X 射线衍射（XRD）仪和纳米压痕仪对材料进行表征分析。XRD 分析表明，Fe11+离子入射后材料辐照层应力发生了变化。结合对应的理论模型，对铝基体的位错密度进行计算，发现辐照后铝基体的位错密度增加，SiC 颗粒产生非晶化。纳米压痕测试表明，随着离子注量增加，材料辐照硬化程度增加。综上，辐照硬化可能是由于铝合金基体的应力变化导致产生局部高密度位错区，而这些区域阻碍了后续位错的运动，进而导致位错聚集，最终使得材料硬度增加。关键词：SiCp/Al 复合材料；X 射线衍射；纳米压痕；辐照硬化；位错密度；实验研究中图分类号：V416.5;O483文献标志码：A文章编号：1673-1379(2023)01-0055-07DOI:10.12126/see.2022079Experimental study on SiCp/Al composites under irradiation of Fe11+ionsGUOYipan,ZHANGTonglin,CHANGHaogang,SUYangfan,ZHANGYulian,WEIZhiyong(SchoolofAstronautics,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China)Abstract:To understand the effect of irradiation on SiCp/Al composites for aerospace electroniccomponentspackingsubstrates,3MeVFe11+beamwasusedtocarryoutirradiationexperimentsunderdifferention fluence.After irradiation,X-ray diffraction(XRD)and nano-indentation were used to characterize andanalyze the materials.XRD analysis indicated that the stress of irradiated layer changed after Fe11+ionsincidence.Combinedwiththecorrespondingtheoreticalmodel,thedislocationdensityofaluminummatrixwascalculated.Itwasfoundthatthedislocationdensityofaluminummatrixincreased,andtheSiCparticleswereamorphizedafterirradiation.Themeasurementofnano-indentationrevealedthattheirradiationhardeningofthematerialincreasedwiththeincreaseofionfluence.Itcanbededucedthattheirradiationhardeningmaybeduetothestresschangesinaluminumalloymatrixleadingtothegenerationoflocalhigh-densitydislocationregions,whichimpedesthesubsequentdislocationmovements,andultimatelyincreasesthehardnessofthematerial.Keywords:SiCp/Al composites;X-ray diffraction;nano-indentation;irradiation hardening;dislocationdensity;experimentalstudy收稿日期：2022-08-02；修回日期：2023-02-02基金项目：南京航空航天大学工业和信息化部重点实验室开放课题资助项目“空间光电探测与感知”（编号：NJ2022025-7）；中央高校基本科研业务费资助项目（编号：NJ2022025）；南京航空航天大学 2021 年研究生科研与实践创新计划项目（编号：xcxjh20211509）引用格式：郭义盼,张同林,常浩刚,等.SiCp/Al复合材料的Fe11+离子辐照实验研究J.航天器环境工程,2023,40(1):55-61GUO Y P,ZHANG T L,CHANG H G,et al.Experimental study on SiCp/Al composites under irradiation of Fe11+ionsJ.SpacecraftEnvironment Engineering,2023,40(1):55-61第40卷第1期航天器环境工程Vol.40,No.12023年2月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING55http:/E-mail:Tel:(010)68116407,68116408,68116544 0 引言引言空间辐射环境中的各种粒子是造成航天器电子元器件在轨故障的主要原因之一1。因此需要对重要电子元器件进行抗辐射加固，提高其抗辐射能力2。目前，电子元器件的抗辐射加固方法大致分为设计加固、工艺加固和封装加固3-4。其中，设计加固和工艺加固的设计制作周期较长，流片和验证成本较高5；封装加固技术对于屏蔽中子和 射线较困难，但对于屏蔽空间辐射环境中的高能电子和质子相对有效3。碳纤维颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）因其具有低热膨胀系数和良好的导电导热及力学性能等，被认为在航天电子封装领域拥有广阔的发展前景6。目前，对于 SiCp/Al 复合材料的研究主要集中在材料的制备和加工工艺上：Wang 等7采用粉末冶金的方法研究了 SiCp晶粒尺寸对复合材料组织和性能的影响，结果表明，当 SiCp体积分数为35%时，在颗粒大小为 7.540m 范围内，随着复合材料晶粒尺寸减小，位错强化增加，强度和硬度显著提高；Bai 等8利用超声辅助车削技术加工SiCp/Al 复合材料，获得了比常规加工和超精密切削加工表面粗糙度更小的加工表面。也有开展对复合材料的辐照研究：Liu 等9用高能 He 离子对还原氧化石墨烯（RGO）/Al 复合材料进行辐照，发现辐照后的材料延伸率增加，晶格间距变小；Cao 等10制备并证明了一维碳纳米管/Al 复合材料有良好的抗辐照性能；鲜亚疆11用热中子和 射线（E1MeV）辐照 Al/B4Cp复合材料，发现辐照后材料发生了轻微的辐照肿胀和辐照硬化，延伸率减小。美国已在航空航天领域大规模使用 SiCp/Al 复合材料。例如，在 F-22“猛禽”战斗机的自动遥控驾驶仪、发电单元以及电子计数测量阵列等主要的电子系统中都有应用6。我国铝基复合材料研究虽发展较晚，但在国家相关计划支持下，目前的研制已接近国外先进水平12。未来，如果将 SiCp/Al 复合材料作为航天电子器件封装材料，除了需要提升其制备工艺水平，还要对其在辐照环境下的位移损伤进行研究13-14。位移损伤效应可以使材料产生点缺陷，并且随着辐射注量增加，会在材料中形成团簇、位错、位错环及空洞等缺陷。这些缺陷的相互作用可导致材料的力学性能改变，包括硬度增加、延伸性减小以及发生脆化等，从而无法满足电子元器件支撑要求。在某些高集成的精密仪器上，辐照损伤可能会使封装材料塑性发生轻微变化，继而影响芯片功能和仪器精度15-16。综上所述，研究航天器电子元器件封装基板复合材料在辐照前后的力学性能和微观结构变化十分重要。造成材料位移损伤的主要有质子和重离子等因素，而质子辐照材料时可能会在某些材料内产生气泡17-18，使得材料的微观结构演化较为复杂，对辐照损伤机理的表征造成困难。因此，本文选择既是空间辐射环境中的离子又能较为清楚提供材料辐照损伤信息的 Fe11+离子来观测低能（10MeV）重离子对 SiCp/Al复合材料产生的辐照损伤19-22。辐照完成后，利用 X 射线衍射（XRD）仪和纳米压痕仪对 SiCp/Al 复合材料的微观结构和辐照硬化程度进行表征，旨在为重离子辐照铝基复合材料提供地面实验数据，为抗辐射封装加固技术研究提供实验基础。1 实验实验本实验所使用的 SiCp/Al 复合材料由顾特服剑桥有限公司提供，样品尺寸为 10mm10mm2mm，样品表面均进行了抛光处理。材料成分如表 1 所示。表1SiCp/Al 复合材料成分Table1CompositionofSiCp/Alcomposites成分AlSiCpCuMgMn质量分数/%77.9 17.83.31.20.4辐照实验在中国科学院近代物理研究所 320kV高压平台上完成。室温下，利用能量为 3MeV 的Fe11+离子对 SiCp/Al 复合材料进行辐照。鉴于目前铝基复合材料的辐照研究较少，本实验的注量选择参考了离子辐照 SiC 和铝合金的注量，大约在 10121017cm-2之间19-22。辐照时间分别为 3、6 和 28min，Fe11+离子入射注量分别达到了 51013、11014和 51014cm-2，以对比不同的入射注量对材料的辐照损伤影响。辐照损伤程度可用 dpa（displacementperatom）表示，即靶材中平均每个晶格原子被碰撞发生移位的次数，也称作位移损伤剂量。dpa 通过式(1)进行计算23，dpa=DF108，(1)其中：D 为平均每个入射离子在 x 深度处单位距离内产生的空位数，由 SRIM 软件计算得出；F 为上文给出的离子入射注量；为材料密度，atom/cm3。56航天器环境工程第40卷图 1 是由式(1)得到的不同注量下 SiCp/Al 复合材料位移损伤与离子注入深度的关系。由图 1 可知，入射注量为 51013、11014和 51014cm-2时，样品的位移损伤剂量分别达 0.05、0.09 和 0.50dpa。离位损伤总深度约为 2.5m，材料离位损伤最大处距表面约为 1.7m。51013 cm251014 cm251014 cm20.50.60.40.30.20.1000.51.01.5深度/mdpa2.00.09 dpa0.50 dpa0.05 dpa2.5图1SRIM 模拟 Fe11+离子注入 SiCp/Al 复合材料的深度位移损伤曲线Fig.1Depth-displacement damage curve of SiCp/Alcomposites with Fe11+ion incidence simulated bySRIM辐照完成后，利用 XRD 对材料进行表征分析。研究辐照前后样品中 SiC 颗粒和铝合金基体的物相及其他变化。测试过程中，扫描范围为 20100，步长为 0.02，扫描速度为 4()/min。所选靶材为铜靶，其 KX 射线波长为 0.154nm。根据 SRIM 软件计算结果可知，材料表面辐照层厚度约为 2.5m，因此采用能够测试微纳米范围硬度的纳米压痕仪来测试材料的辐照层硬度变化。室温下，使用 Cube 压头在连续刚度模式下对样品进行测试。测试过程中，每个样品表面打 6 个点，点与点的间距约为 70m，泊松比取 0.3。测试完成后得到了样品表面下方 01250nm 深度范围内纳米硬度随深度变化曲线。2 数据结果和讨论数据结果和讨论2.1XRD 谱图图 2 为 SiCp/Al 复合材料辐照前后 XRD 谱图。将图 2 中衍射峰宽度以及大小等数据与 Jad