SiCp/Al 復(fù)合材料的Fe11+離子輻照實(shí)驗(yàn)研究

郭義盼，張同林，常浩剛，蘇洋帆，張余煉，魏志勇

（南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，南京 211106）

0 引言

空間輻射環(huán)境中的各種粒子是造成航天器電子元器件在軌故障的主要原因之一[1]。因此需要對(duì)重要電子元器件進(jìn)行抗輻射加固，提高其抗輻射能力[2]。目前，電子元器件的抗輻射加固方法大致分為設(shè)計(jì)加固、工藝加固和封裝加固[3-4]。其中，設(shè)計(jì)加固和工藝加固的設(shè)計(jì)制作周期較長(zhǎng)，流片和驗(yàn)證成本較高[5]；封裝加固技術(shù)對(duì)于屏蔽中子和γ 射線較困難，但對(duì)于屏蔽空間輻射環(huán)境中的高能電子和質(zhì)子相對(duì)有效[3]。碳纖維顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al）因其具有低熱膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱及力學(xué)性能等，被認(rèn)為在航天電子封裝領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景[6]。

目前，對(duì)于SiCp/Al 復(fù)合材料的研究主要集中在材料的制備和加工工藝上：Wang 等[7]采用粉末冶金的方法研究了SiCp晶粒尺寸對(duì)復(fù)合材料組織和性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)SiCp體積分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，在顆粒大小為7.5～40 μm 范圍內(nèi)，隨著復(fù)合材料晶粒尺寸減小，位錯(cuò)強(qiáng)化增加，強(qiáng)度和硬度顯著提高；Bai 等[8]利用超聲輔助車(chē)削技術(shù)加工SiCp/Al 復(fù)合材料，獲得了比常規(guī)加工和超精密切削加工表面粗糙度更小的加工表面。也有開(kāi)展對(duì)復(fù)合材料的輻照研究：Liu 等[9]用高能He 離子對(duì)還原氧化石墨烯（RGO）/Al 復(fù)合材料進(jìn)行輻照，發(fā)現(xiàn)輻照后的材料延伸率增加，晶格間距變小；Cao 等[10]制備并證明了一維碳納米管/Al 復(fù)合材料有良好的抗輻照性能；鮮亞疆[11]用熱中子和γ 射線（E≥1 MeV）輻照Al/B4Cp復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)輻照后材料發(fā)生了輕微的輻照腫脹和輻照硬化，延伸率減小。

美國(guó)已在航空航天領(lǐng)域大規(guī)模使用SiCp/Al 復(fù)合材料。例如，在F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)的自動(dòng)遙控駕駛儀、發(fā)電單元以及電子計(jì)數(shù)測(cè)量陣列等主要的電子系統(tǒng)中都有應(yīng)用[6]。我國(guó)鋁基復(fù)合材料研究雖發(fā)展較晚，但在國(guó)家相關(guān)計(jì)劃支持下，目前的研制已接近國(guó)外先進(jìn)水平[12]。未來(lái)，如果將SiCp/Al 復(fù)合材料作為航天電子器件封裝材料，除了需要提升其制備工藝水平，還要對(duì)其在輻照環(huán)境下的位移損傷進(jìn)行研究[13-14]。位移損傷效應(yīng)可以使材料產(chǎn)生點(diǎn)缺陷，并且隨著輻射注量增加，會(huì)在材料中形成團(tuán)簇、位錯(cuò)、位錯(cuò)環(huán)及空洞等缺陷。這些缺陷的相互作用可導(dǎo)致材料的力學(xué)性能改變，包括硬度增加、延伸性減小以及發(fā)生脆化等，從而無(wú)法滿足電子元器件支撐要求。在某些高集成的精密儀器上，輻照損傷可能會(huì)使封裝材料塑性發(fā)生輕微變化，繼而影響芯片功能和儀器精度[15-16]。綜上所述，研究航天器電子元器件封裝基板復(fù)合材料在輻照前后的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)變化十分重要。

造成材料位移損傷的主要有質(zhì)子和重離子等因素，而質(zhì)子輻照材料時(shí)可能會(huì)在某些材料內(nèi)產(chǎn)生氣泡[17-18]，使得材料的微觀結(jié)構(gòu)演化較為復(fù)雜，對(duì)輻照損傷機(jī)理的表征造成困難。因此，本文選擇既是空間輻射環(huán)境中的離子又能較為清楚提供材料輻照損傷信息的Fe11+離子來(lái)觀測(cè)低能（＜10 MeV）重離子對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料產(chǎn)生的輻照損傷[19-22]。輻照完成后，利用X 射線衍射（XRD）儀和納米壓痕儀對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和輻照硬化程度進(jìn)行表征，旨在為重離子輻照鋁基復(fù)合材料提供地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為抗輻射封裝加固技術(shù)研究提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

本實(shí)驗(yàn)所使用的SiCp/Al 復(fù)合材料由顧特服劍橋有限公司提供，樣品尺寸為10 mm×10 mm×2 mm，樣品表面均進(jìn)行了拋光處理。材料成分如表1 所示。

表1 SiCp/Al 復(fù)合材料成分Table 1 Composition of SiCp/Al composites

輻照實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所320 kV高壓平臺(tái)上完成。室溫下，利用能量為3 MeV 的Fe11+離子對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料進(jìn)行輻照。鑒于目前鋁基復(fù)合材料的輻照研究較少，本實(shí)驗(yàn)的注量選擇參考了離子輻照SiC 和鋁合金的注量，大約在1012～1017cm-2之間[19-22]。輻照時(shí)間分別為3、6 和28 min，F(xiàn)e11+離子入射注量分別達(dá)到了5×1013、1×1014和5×1014cm-2，以對(duì)比不同的入射注量對(duì)材料的輻照損傷影響。輻照損傷程度可用dpa（displacement per atom）表示，即靶材中平均每個(gè)晶格原子被碰撞發(fā)生移位的次數(shù)，也稱作位移損傷劑量。dpa 通過(guò)式(1)進(jìn)行計(jì)算[23]，

1 實(shí)驗(yàn)

其中：D為平均每個(gè)入射離子在x深度處單位距離內(nèi)產(chǎn)生的空位數(shù)，由SRIM 軟件計(jì)算得出；F為上文給出的離子入射注量；ρ為材料密度，atom/cm3。圖1 是由式 (1)得到的不同注量下SiCp/Al 復(fù)合材料位移損傷與離子注入深度的關(guān)系。由圖1 可知，入射注量為5×1013、1×1014和5×1014cm-2時(shí)，樣品的位移損傷劑量分別達(dá)0.05、0.09 和0.50 dpa。離位損傷總深度約為2.5 μm，材料離位損傷最大處距表面約為1.7 μm。

圖1 SRIM 模擬Fe11+離子注入SiCp/Al 復(fù)合材料的深度-位移損傷曲線Fig.1 Depth-displacement damage curve of SiCp/Al composites with Fe11+ ion incidence simulated by SRIM

輻照完成后，利用XRD 對(duì)材料進(jìn)行表征分析。研究輻照前后樣品中SiC 顆粒和鋁合金基體的物相及其他變化。測(cè)試過(guò)程中，掃描范圍為20°～100°，步長(zhǎng)為0.02°，掃描速度為4 (°)/min。所選靶材為銅靶，其Kα X 射線波長(zhǎng)為0.154 nm。

根據(jù)SRIM 軟件計(jì)算結(jié)果可知，材料表面輻照層厚度約為2.5 μm，因此采用能夠測(cè)試微納米范圍硬度的納米壓痕儀來(lái)測(cè)試材料的輻照層硬度變化。室溫下，使用Cube 壓頭在連續(xù)剛度模式下對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，每個(gè)樣品表面打6 個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)的間距約為70 μm，泊松比取0.3。測(cè)試完成后得到了樣品表面下方0～1250 nm 深度范圍內(nèi)納米硬度隨深度變化曲線。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果和討論

2.1 XRD 譜圖

圖2 為SiCp/Al 復(fù)合材料輻照前后XRD 譜圖。將圖2 中衍射峰寬度以及大小等數(shù)據(jù)與Jade 軟件PDF 卡片庫(kù)信息進(jìn)行比對(duì)，以獲得樣品的物相信息。從圖2 可以看出，輻照樣品中除了有Al（圖中所示為O）和SiC（圖中所示為X）外，還有CuAl2（圖中所示為□）存在。這可能是材料加工過(guò)程產(chǎn)生的第二相。根據(jù)Gao 等的研究，第二相CuAl2能夠提高Al 基體和SiC 顆粒的結(jié)合強(qiáng)度以及復(fù)合材料的硬度[24]。

圖2 SiCp/Al 復(fù)合材料輻照前后XRD 譜圖Fig.2 XRD spectra of SiCp/Al composites before and after irradiation

與輻照前相比，輻照劑量達(dá)到0.05 dpa 時(shí)，XRD 譜內(nèi)既沒(méi)有衍射峰消失，也沒(méi)有新的衍射峰生成。說(shuō)明該劑量下Fe11+離子輻照未導(dǎo)致SiCp/Al復(fù)合材料形成明顯缺陷。但是，從圖2 左下角紅色橢圓圈注區(qū)的放大圖中可以看出，隨著輻照劑量增加，SiC 的(104)晶面衍射峰下降，說(shuō)明SiC 內(nèi)部缺陷增加，SiC 晶格發(fā)生無(wú)序化[25]。當(dāng)輻照劑量達(dá)到0.50 dpa 時(shí)，SiC 的(104)晶面幾乎消失不見(jiàn)，說(shuō)明隨著劑量增加，材料損傷增加，最后形成非晶核，即SiC 顆粒非晶化。

進(jìn)一步分析Al (200)晶面衍射峰發(fā)現(xiàn)，除了SiC 顆粒發(fā)生非晶化外，鋁合金基體也有所變化，如圖3 所示。

可以看到，隨著劑量不斷增加，Al(200)晶面衍射峰先向高角度偏移，隨后又向低角度略微回落，但未回落到空白樣的角度（紫色線）。根據(jù)布拉格方程，有

式中：d 為晶面間距；θ 為XRD 圖譜上的角度；n為反射級(jí)數(shù)；λ為銅靶的Kα X 射線波長(zhǎng)?？芍?dāng)Fe11+離子入射劑量增加，Al(200)晶面衍射峰先向高角度偏移（θ增大）后又向低角度略微回落（θ較?。r(shí)，Al (200)晶面間距d先減小后又略微增大。根據(jù)Wan 等的研究可知，晶面間距減小或增大與間隙原子的聚集和空位的聚集相關(guān)[26]。分析認(rèn)為，間隙原子比空位更容易聚集，因此輻照劑量較小時(shí)材料形成的間隙原子團(tuán)更多，因而晶面間距減小[27-28]。隨著Fe11+離子入射劑量增加，材料內(nèi)部產(chǎn)生更多的點(diǎn)缺陷，點(diǎn)缺陷促進(jìn)了更多空位缺陷團(tuán)的形成，因而Al (200)晶面間距又略微增大。

另外，材料輻照層的殘余應(yīng)力也與晶面間距有關(guān)[29]，可表示為

式中：d0為SiCp/Al 復(fù)合材料空白樣的晶面間距；d 為Fe11+離子輻照后SiCp/Al 復(fù)合材料的晶面間距；E為楊氏模量，鋁合金的楊氏模量為20 GPa；v為泊松比，值為0.3。根據(jù)式(3)可知，當(dāng)d0不變，d變小時(shí)，σ為正值，說(shuō)明材料產(chǎn)生了壓應(yīng)力。

2.2 納米壓痕

由于納米壓痕儀較敏感的自身特點(diǎn)和材料表面效應(yīng)的影響，本文忽略了納米壓痕儀測(cè)量的h＜50 nm 的 數(shù) 據(jù)[30]。對(duì)50 nm＜h＜1250 nm 的6 個(gè)點(diǎn)的納米硬度數(shù)據(jù)求取平均值，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，所得結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同輻照劑量下平均納米硬度-深度的變化曲線Fig.4 Mean nanohardness-depth variation curve under different dpa

從圖4 可以看出，隨著輻照劑量的增加，材料輻照層的納米硬度不斷增加。同時(shí)，觀察到所有樣品的納米硬度都隨著材料深度增加而不斷減小，這種現(xiàn)象被稱為壓痕尺寸效應(yīng)（ISE）。

對(duì)于ISE 的解釋可利用基于幾何位錯(cuò)理論的Nix-Gao 模型。在該模型中，納米硬度隨材料深度的變化為[31]

式中：HV 是納米壓痕儀測(cè)得的硬度； H V0是無(wú)限深處的硬度，是獨(dú)立于壓痕深度以外的表征整體硬度的參數(shù)；h是壓痕深度；h*是由壓頭形狀和材料決定的特征長(zhǎng)度。通過(guò)Nix-Gao 模型可以計(jì)算HV2-1/h的關(guān)系曲線，進(jìn)而獲得材料在輻照層內(nèi)的硬度數(shù)據(jù)。不同劑量的Fe11+離子入射時(shí)的HV2-1/h關(guān)系如圖5 所示。

圖5 不同劑量的Fe11+離子入射時(shí)的HV2-1/h 關(guān)系Fig.5 HV2-1/h relation for different dpa of Fe11+ ion incidence

Nix-Gao 模型計(jì)算的不同入射劑量下的SiCp/Al復(fù)合材料輻照層硬度結(jié)果如表2 所示，可以看出，隨著入射劑量增加，材料輻照層硬度增加，這表明Fe11+離子輻照導(dǎo)致材料出現(xiàn)了輻照硬化。

表2 Nix-Gao 模型計(jì)算的不同輻照劑量下樣品輻照層硬度Table 2 Hardness of irradiated layer calculated by NiX-GAO model under different dpa

2.3 位錯(cuò)密度

為了進(jìn)一步研究Fe11+輻照產(chǎn)生的壓應(yīng)力對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的影響。本文利用Williamson-Hall 提出的公式計(jì)算位錯(cuò)密度[32]：

式(5)中，β是XRD 衍射峰的半高寬；k為常數(shù)，k=0.9；λ=0.154 nm。先將同一輻照劑量下不同Al 衍射峰的βcosθ作為因變量，4sinθ作為自變量，可作出散點(diǎn)圖（如圖6 所示）；將散點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，結(jié)合式(5)可得到不同輻照劑量下Al 基體的微觀應(yīng)變?chǔ)藕途Я４笮。再結(jié)合式(6)即可得到位錯(cuò)密度ρd（其中，b是柏氏矢量，取0.286[33]），結(jié)果如表3所示。

圖6 不同輻照劑量下由式(5)得出的βcos θ-4sin θ 散點(diǎn)及線性擬合Fig.6 Scatter and linear fitting plots of βcos θ-4sin θ obtained from Eq.(5) under different dpa

表3 Williamson-Hall 公式計(jì)算出的位錯(cuò)密度Table 3 Dislocation density calculated by Williamson-Hall formula

結(jié)合2.1 節(jié)可知，F(xiàn)e11+輻照使得Al 基體產(chǎn)生了壓應(yīng)力。隨著入射劑量增加，壓應(yīng)力增大。當(dāng)壓應(yīng)力足夠大時(shí)，所有的原子將處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這些原子將通過(guò)克服相鄰原子形成的壁壘而移動(dòng)。原子在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)形成新的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)與現(xiàn)有的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)合并形成了高密度位錯(cuò)區(qū)。以上即是隨著離子輻照劑量增加，SiCp/Al復(fù)合材料位錯(cuò)密度增加的原因。在本研究中，隨著位錯(cuò)密度增加，材料硬度也不斷增加，故此推斷材料出現(xiàn)輻照硬化是由于位錯(cuò)密度增加導(dǎo)致的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了同一能量（3 MeV）、不同注量的低能Fe11+離子輻照對(duì)航天器電子元器件封裝基板用SiCp/Al 復(fù)合材料的影響，并結(jié)合理論分析，探討輻照損傷產(chǎn)生的缺陷演化與材料硬化的機(jī)制。結(jié)果表明：1）Fe11+離子輻照誘發(fā)SiCp/Al復(fù)合材料生成了大量的點(diǎn)缺陷并導(dǎo)致晶格的無(wú)序化，當(dāng)注量達(dá)到1×1014cm-2時(shí)，SiC 顆粒會(huì)發(fā)生非晶化；2）Fe11+離子注入后材料出現(xiàn)了輻照硬化，并且隨著入射劑量的增加，材料硬度增大；3）利用Williamson-Hall 公式計(jì)算了材料輻照前后的位錯(cuò)密度，發(fā)現(xiàn)隨著輻照劑量增加，位錯(cuò)密度增大，這可能是本實(shí)驗(yàn)中材料輻照硬化的深層原因。以上研究結(jié)果為后續(xù)SiCp/Al 復(fù)合材料用作航天器電子元器件封裝基板的優(yōu)化和改進(jìn)提供了實(shí)驗(yàn)參考和支撐。

由于實(shí)際空間輻射環(huán)境復(fù)雜，粒子多樣，能量、溫度等范圍跨度大，還可能存在耦合效應(yīng)。因此，更多種類(lèi)及不同空間環(huán)境條件下的離子注入對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料的性能影響有待進(jìn)一步研究，以綜合、全面地評(píng)價(jià)該材料的抗輻射性能，進(jìn)而針對(duì)性地開(kāi)展電子元器件抗輻照封裝加固改進(jìn)技術(shù)研究，助力航天器在軌長(zhǎng)期高可靠運(yùn)行。

致謝

感謝中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所320 kV 高壓平臺(tái)工作人員為本文實(shí)驗(yàn)工作提供束流保障。