CN101748319A

CN101748319A - 一种抗电子辐射屏蔽材料及其制备方法

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Publication number: CN101748319A
Application number: CN200810239845A
Authority: CN
Inventors: 杨志民; 毛昌辉; 杜军; 杨剑; 董桂霞; 马书旺; 罗君
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-06-23

Abstract

本发明涉及一种抗电子辐射屏蔽材料及其制备方法，所述抗电子屏蔽材料包括Mo或W作为高Z金属相，其量为15-35vol.％；AlN为低Z介质相，其量为85-65vol.％。本发明的抗电子辐射屏蔽材料是具有高的屏蔽效率、高导热率、绝缘的高能电子屏蔽材料，此材料具有比高原子序数金属(钽、钨、铅等)更高的屏蔽效率，可以使电子辐照沉积剂量降低两个数量级以上，并且不破坏元器件原有的散热条件，保证元器件工作时芯片的温度满足正常工作的要求。

Description

一种抗电子辐射屏蔽材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种抗电子辐射屏蔽材料及制备方法，属于屏蔽材料领域。

背景技术

工作于辐射环境下的电子器件，如Si MOS器件，都存在一定的辐照能量沉积阈值，当辐照造成的能量沉积超过该阈值后，器件性能会恶化或失效。如应用于的人造卫星的电子器件，不可避免地遭遇各种空间带电粒子的辐射，带电粒子与电子元器件相互作用，产生各种空间辐射效应，当沉积剂量超出器件的阈值后，电子器件失效会对卫星造成一定程度的损伤与危害，甚至威胁卫星安全。针对这些辐射敏感器件，采用具有一定质量面密度的屏蔽材料(如钽等)对器件进行屏蔽，可以使辐射总剂量获得一定程度的衰减和降低，使电子器件实际接受的辐射总剂量下降到其自身抗辐射总剂量水平之下，从而延长电子元器件的使用寿命，如图1所示，其中11表示辐射防护罩，12表示敏感器件。

电子和物质作用主要有三种过程：(1)电子和原子中的电子发生非弹性散射使物质电离。在面密度相同的情况下，电子能量损失和Z/A成正比(A为原子量)。Ta的Z/A为0.4，Al的为0.48，低Z材料在使入射电子非弹性散射方面比高Z材料更有效。(2)电子和原子核发生弹性散射，在材料面密度相同的情况下，弹性散射强度和Z2/A成正比，因此高Z材料对电子的弹性散射更有效。(3)电子和原子核非弹性散射释放轫致辐射光子。轫致辐射能量损失率与物质的Z2/A成正比，与电子的能量成正比。电子轰击重元素物质容易发生轫致辐射产生X射线，而对X射线的屏蔽要比对电子本身的屏蔽困难得多。这三种过程决定了屏蔽高能电子的复杂性，使用高低Z相结合的材料有可能实现高的屏蔽效率。

目前用于辐照屏蔽的材料通常为钽、铅、钨等高原子序数的材料，虽然可以起到很好的阻止带电粒子透过的作用，但同时产生的轫致辐射的能量也很大，造成屏蔽效果受到一定的限制。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有高的屏蔽效率、高导热率、绝缘的高能抗电子辐射屏蔽材料。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种抗电子辐射屏蔽材料，其特征在于：所述抗电子辐射屏蔽材料包括Mo或W作为高Z金属相，其量为15-35vol.％；AlN为低Z介质相，其量为85-65vol.％。

一种优选技术方案，其特征在于：所述抗电子辐射屏蔽材料为单层结构，所述高Z金属相均匀地分布于低Z介质相之中，所述高Z金属相中的颗粒之间彼此分开，不能形成连续网状结构。

一种优选技术方案，其特征在于：所述抗电子辐射屏蔽材料为多层复合结构，所述多层复合结构由多个单层结构叠加形成，单层结构中高Z金属相Mo或W的含量为5-85vol.％，低Z介质相AlN的含量为95-15vol.％；每个单层结构均为高Z金属相均匀地分布于低Z介质相AlN中。对于整个材料而言，高Z金属相的量为15-35vol.％；AlN的含量为85-65vol.％。针对不同的单能入射电子能量或者能量分布谱线，多层复合材料的叠放次序、每层的成分及厚度均可进行调整。

一种优选技术方案，其特征在于：所述单层或多层抗电子辐射屏蔽材料还包括CaF₂或Y₂O₃烧结助剂，该烧结助剂的含量为高Z金属相和低Z介质相总体积的3-8％。

本发明的另一目的是提供上述抗电子辐射屏蔽材料的制备方法，是通过以下技术方案实现的：

一种单层抗电子辐射屏蔽材料的制备方法，其步骤如下：

(1)将15-35vol.％的Mo或W作为高Z金属相，85-65vol.％的AlN为低Z介质相，使用球磨的方法进行充分混合；

(2)先进行3-5MPa×1-5min单向轴压成型，然后进行200MPa×15min冷等静压成型，得到Mo(W)-AlN复合生坯；

(3)将步骤(2)所得复合生坯置于ZrO₂或AlN坩埚中进行氮气氛下1650-1900℃、1-3h常压烧结，或者在1550℃-1800℃热压烧结，得到Mo(W)-AlN复合块体材料；

(4)将步骤(3)所得块体材料按具体使用时的形状和尺寸进行加工，即得到单层抗电子辐射屏蔽材料。

一种多层抗电子辐射屏蔽材料的制备方法，其步骤如下：

(1)将5-85vol.％的Mo或W作为高Z金属相，15-95vol.％的AlN为低Z介质相，使用球磨的方法进行充分混合，制备成含不同高Z金属相比例的浆料；

(2)使用流延成型机制备素坯，素坯厚度为0.04mm-0.mm；

(3)将素坯逐层叠加压实，其中最外层素坯的高Z金属相的含量低于25％，以保证材料的绝缘性；然后在1800℃、N₂气氛中常压烧结，得到块体材料；

(4)将步骤(3)所得块体材料按具体使用时的形状和尺寸进行加工，即得到抗电子辐射屏蔽的多层复合材料。

一种优选技术方案，其特征在于：所述单层或多层抗电子辐射屏蔽材料的制备方法中，单层或多层抗电子辐射屏蔽材料还包括CaF₂或Y₂O₃烧结助剂，该烧结助剂的含量为高Z金属相和低Z介质相总体积的3-8％。

一种优选技术方案，其特征在于：所述单层或多层抗电子辐射屏蔽材料的制备方法中，高Z金属相中金属粉末的平均粒度为1-20微米；3-5微米为最佳；所述低Z介质相中AlN粉末的平均粒度为0.15微米，2-3微米为最佳。由于金属相的密度与低Z介质的密度相差很大，这样的粒度分布有利于复合材料的均匀混合，从而实现高Z金属相均匀地分布于低Z介质相之中，有利于屏蔽性能的提高。

有益效果：

1、采用高、低原子序数金属材料相结合的方法，制备的材料对电子具有更好的屏蔽效果。

低原子序数的屏蔽材料(如金属Al)虽然不能阻止带电粒子透过，但可以有效降低带电粒子的运动速度；而高原子序数的屏蔽材料(如金属Ta)虽然可以起到很好的阻止带电粒子透过的作用，但同时产生的轫致辐射的能量也很大。所以应该充分利用高、低原子序数材料各自的优势，因此在相同面密度的情况下，屏蔽材料的屏蔽性能更好。

2、低原子序数物质采用具有高热导率的AlN，对器件或机箱的原有热传导性能的影响小。

3、屏蔽材料不含高分子，在高真空下不放气，不在设备内产生任何多余物，并且可以方便地进行加工。

4、屏蔽材料具有良好的绝缘性能(屏蔽材料与印制线路板之间、屏蔽材料与元器件管腿之间)。

本发明中的AlN中的氮和铝可以有效降低带电粒子的运动速度，减少材料中产生的轫致辐射。针对不同的单能入射电子能量或者能量分布谱线，可以通过模拟计算出达到最佳屏蔽效果时两者的比例。本发明所涉及的屏蔽材料中，高Z金属相均匀地分布于AlN基体之中，高Z金属颗粒之间彼此分开，不能形成连续网状结构，以保证复合材料的绝缘性和高导热性。加入CaF₂或Y₂O₃烧结助剂，可以得到高导热率的致密烧结体。

本发明的抗电子辐射屏蔽材料具有高的屏蔽效率、高导热率、绝缘性好，此材料具有比高原子序数金属(钽、钨、铅等)更高的屏蔽效率，可以使电子辐照沉积剂量降低两个数量级以上，并且不破坏元器件原有的散热条件，保证元器件工作时芯片的温度满足正常工作的要求。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1是本发明的抗电子屏蔽材料使用示意图；

图2是本发明屏蔽性能测试示意图；

图3是本发明实施例1复合屏蔽材料的微观组织的结构示意图；

图4是本发明实施例1中的复合屏蔽材料与Ta、W金属对4MeV电子屏蔽性能的比较；

图5是本发明实施例2中屏蔽材料的微观组织的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

按75vol.％AlN(平均粒度为3微米)，25vol.％W(平均粒度为5微米)，及占AlN和W总体积3vol.％的CaF₂配料，原始粉末采用玛瑙罐和氧化锆球，以无水乙醇为研磨介质，按照球料比4∶1在高能行星球磨机上混料24小时，转速为125转/分。将混合粉体浆料干燥筛分后，将混过的粉体填充到模具中，进行3MPa×5min单向轴压成型，然后进行200MPa×15min冷等静压成型，得到Mo(W)-AlN复合生坯；将复合生坯置于ZrO₂坩埚中进行氮气氛下、在1800℃进行30MPa×30min热压烧结，得到复合块体材料，然后按照不同要求加工成所需的标准样品。

采用BRIGHT A100数字金相显微镜、S-4800型场发射扫描电镜观察复合材料的显微形貌；采用JL-1166型全自动激光粒度仪测试粉末原料的粒度；采用XD-2型X射线衍射仪对Mo(W)-AlN复相陶瓷进行物相分析；采用Agilent 8722ET型网络分析仪测试Mo(W)-AlN复合材料的微波衰减性能；采用日本真空理工株式会社TC-7000Laser Flash Thermal Constant Analyzer测试仪测试Mo(W)-AlN复合材料的导热系数。采用薄膜剂量计法来测试复合材料的屏蔽效果，如图2所示，其中21表示电子，22表示样品，23表示计量计，24表示底座。使用CARY-3E型紫外-可见分光光度计分析剂量计的吸光度值，薄膜剂量计使用的是FJ-01型三醋酸维素(CTA)薄膜剂量计。

对样品进行性能测试，测得样品的相对密度为99.9％，室温条件下的导热率为101.5W/(m·K)，10K的电阻率为1.2X10⁹Ω·cm，其微观形貌显示，球形的W颗粒均匀地分布于AlN基体之中，图3其微观组织的金相照片。

复合材料、Ta、W对4MeV单能电子的屏蔽效果测试曲线如图4所示。可以看出随屏蔽材料面密度的增加，沉积剂量先缓慢上升，然后快速下降，最后缓慢下降。W、Ta的剂量深度曲线基本重合，在面密度为2.25时与Al的剂量深度曲线相交。由图4可知，面密度小于2.25时，W、Ta的屏蔽效果优于复合材料，面密度大于2.25时，复合材料的屏蔽效果更好，当面密度达到3g/cm²以上时，W或Ta屏蔽后的剂量值是复合材料的2倍以上。

实施例2

按85vol.％AlN(平均粒度为5微米)，15vol.％W(平均粒度为20微米)，及占AlN和W总体积8vol.％的Y₂O₃配料，原始粉末采用玛瑙罐和氧化锆球，以无水乙醇为研磨介质，按照球料比4∶1在高能行星球磨机上混料24小时，转速为125转/分。将混合粉体浆料干燥筛分后，将混过的粉体填充到模具中，进行5MPa×1min单向轴压成型，然后进行200MPa×15min冷等静压成型，得到Mo(W)-AlN复合生坯；将复合生坯置于AlN坩埚中进行氮气氛下、在1550℃进行30MPa×30min热压烧结，得到复合块体材料，然后加工成所需的标准样品。

实施例3

按65vol.％AlN(平均粒度为0.1微米)，35vol.％Mo(平均粒度为1微米)，及占AlN和Mo总体积5vol.％的CaF₂配料，原始粉末采用玛瑙罐和氧化锆球，以无水乙醇为研磨介质，按照球料比4∶1在高能行星球磨机上混料24小时，转速为125转/分。将混合粉体浆料干燥筛分后，将混过的粉体填充到模具中，进行5MPa×2min单向轴压成型，然后进行200MPa×15min冷等静压成型，得到Mo(W)-AlN复合生坯；将复合生坯置于AlN坩埚中进行氮气氛下、在1650℃进行3小时常压烧结，得到复合块体材料，然后加工成所需的标准样品。

实施例2-3制成的抗电子辐射屏蔽复合材料，在面密度大于2.25时的屏蔽效果均优于Ta、W。

实施例4

分别按以下比例混合粉末，制备出水基流延用浆料。

配方1：95vol.％AlN(平均粒度为2微米)，5vol.％W(平均粒度为3微米)，及占AlN和W总体积8vol.％的CaF₂；

配方2：15vol.％AlN(平均粒度为3微米)，85vol％W(平均粒度为5微米)，及占AlN和W总体积5vol.％的CaF₂

使用流延成型机制备素坯，配方1的素坯厚度为0.4mm，配方2的素坯厚度为0.04mm，将两种素坯逐层叠加，最上层与最下层均为配方1，配方2和配方1相间叠压，总层数为21层。叠加压实后，在1800℃、N₂气氛中常压烧结，烧结后的样品总厚度为4.5mm。烧结后样品的扫描电镜照片如图5-a和图5-b所示，其中51为配方2部分形成厚度为20微米左右的灰色层，其中52为灰色层之间的厚度约为200微米配方1层，配方1层因其导电性差导致亮花纹的出现。

将样品按照不同要求加工成所需的标准样品进行性能测试，测得样品的相对密度为95.2％，室温条件下的平面方向的导热率为115.6W/(m·K)，截面层的导热率为75.5W/(m·K)。

4MeV单能电子屏蔽测试表明，4.5mm厚的材料可以使入射前的剂量由22212Gy降低到110Gy，同样质量面密度的Ta只能降低到270Gy。

实施例5

分别按以下比例混合粉末，制备出水基流延成型用浆料，制备出0.2mm后的素坯。AlN的平均粒度为5微米，W的平均粒度为20微米。

配方1：75vol.％AlN，25vol.％W，及占AlN和W总体积5vol.％CaF₂

配方2：80vol.％AlN，20vol％W，及占AlN和W总体积5vol.％CaF₂

配方3：65vol.％AlN，35vol.％W，及占AlN和W总体积5vol.％CaF₂

配方4：55vol.％AlN，45vol％W，及占AlN和W总体积5vol.％CaF₂

配方5：50vol.％AlN，50vol.％W，及占AlN和W总体积5vol.％CaF₂

配方6：35vol.％AlN，65vol％W，及占AlN和W总体积5vol.％CaF₂

配方7：30vol.％AlN，70vol.％W，及占AlN和W总体积5vol.％CaF₂

配方8：20vol.％AlN，80vol％W，及占AlN和W总体积3vol.％CaF₂

配方9：15vol.％AlN，85vol.％W，及占AlN和W总体积3vol.％CaF₂

制备出0.2mm后的素坯，将素坯按照1、2、3、4、5、6、7、8、9、1逐层叠加压实，最上层与最下层均为配方1，总层数为10层，在1800℃、N₂气氛中常压烧结，烧结后的样品总厚度为2mm。

1.5MeV单能电子屏蔽测试表明，2mm厚的材料可以使入射前的剂量由32000Gy降低到60Gy，同样质量面密度的Ta只能降低到230Gy。

实施例6

分别按以下比例混合粉末，AlN的平均粒度为0.1微米，Mo的平均粒度为1微米，制备出流延成型用浆料：

配方1：85vol.％AlN，15vol.％Mo，及占AlN和Mo总体积3vol.％Y₂O₃

配方2：45vol.％AlN，55vol.％Mo，及占AlN和Mo总体积5vol.％Y₂O₃

配方3：15vol.％AlN，85vol％Mo，及占AlN和Mo总体积8vol.％Y₂O₃

制备出0.2mm后的素坯，将素坯按照1+2+3多次重复排列，最后加一层配方1，最上层与最下层均为配方1，总层数为19层。叠加压实后在1800℃、N₂气氛中常压烧结，烧结后的样品总厚度为4.2mm。

4MeV单能电子屏蔽测试表明，该材料可以使入射前的剂量由23015Gy降低到194Gy，同样质量面密度的Ta只能降低到230Gy。

实施例7

分别按以下比例混合粉末，制备出水基流延用浆料。

配方1：95vol.％AlN(平均粒度为5微米)，5vol.％Mo(平均粒度为15微米)，及占AlN和Mo总体积8vol.％的Y₂O₃；

配方2：15vol.％AlN(平均粒度为0.5微米)，85vol％Mo(平均粒度为10微米)，及占AlN和Mo总体积5vol.％的Y₂O₃

使用流延成型机制备素坯，配方1的素坯厚度为0.5mm，配方2的素坯厚度为0.05mm，将两种素坯逐层叠加，最上层与最下层均为配方1，配方2和配方1相间叠压，总层数为21层。叠加压实后，在1800℃、N₂气氛中常压烧结，烧结后的样品总厚度为5.5mm。

4MeV单能电子屏蔽测试表明，5.5mm厚的材料可以使入射前的剂量由22212Gy降低到100Gy，同样质量面密度的Ta只能降低到260Gy。

Claims

1.一种抗电子辐射屏蔽材料，其特征在于：所述抗电子辐射屏蔽材料包括Mo或W作为高Z金属相，其量为15-35vol.％；AlN为低Z介质相，其量为85-65vol.％。

2.根据权利要求1所述的抗电子辐射屏蔽材料，其特征在于：所述抗电子辐射屏蔽材料为单层结构，所述高Z金属相均匀地分布于低Z介质相之中，所述高Z金属相中的颗粒之间彼此分开。

3.根据权利要求1所述的抗电子辐射屏蔽材料，其特征在于：所述抗电子辐射屏蔽材料为多层复合结构，所述多层复合结构由多个单层结构叠加形成，单层结构中高Z金属相Mo或W的含量为5-85vol.％，低Z介质相AlN的含量为95-15vol.％；每个单层结构均为高Z金属相均匀地分布于低Z介质相AlN中。

4.根据权利要求2或3所述的抗电子辐射屏蔽材料，其特征在于：所述抗电子辐射屏蔽材料还包括CaF₂或Y₂O₃烧结助剂，该烧结助剂的含量为高Z金属相和低Z介质相总体积的3-8％。

5.权利要求2所述的抗电子辐射屏蔽材料的制备方法，其步骤如下：

6.权利要求3所述的抗电子辐射屏蔽材料的制备方法，其步骤如下：

(2)使用流延成型机制备素坯，素坯厚度为0.04mm-0.5mm；

(3)将素坯逐层叠加压实，其中最外层素坯的高Z金属相的含量低于25％，然后在1800℃、N₂气氛中常压烧结，得到块体材料；

7.根据权利要求5或6所述的抗电子辐射屏蔽材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中还包括CaF₂或Y₂O₃烧结助剂，该烧结助剂的含量为高Z金属相和低Z介质相总体积的3-8％。

8.根据权利要求5或6所述的抗电子辐射屏蔽材料，其特征在于：所述高Z金属相中金属粉末的平均粒度为1-20微米；所述低Z介质相中AlN粉末的平均粒度为0.1-5微米。

9.根据权利要求5或6所述的抗电子辐射屏蔽材料，其特征在于：所述高Z金属相中金属粉末的平均粒度为3-5微米；所述低Z介质相中AlN粉末的粒度为2-3微米。