SiCp/Al 復合材料的Fe11+離子輻照實驗研究

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 航天學院，南京 211106）

0 引言

空間輻射環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]。因此需要對重要電子元器件進行抗輻射加固，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計加固、工藝加固和封裝加固[3-4]。其中，設計加固和工藝加固的設計制作周期較長，流片和驗證成本較高[5]；封裝加固技術對于屏蔽中子和γ 射線較困難，但對于屏蔽空間輻射環境中的高能電子和質子相對有效[3]。碳纖維顆粒增強鋁基復合材料（SiCp/Al）因其具有低熱膨脹系數和良好的導電導熱及力學性能等，被認為在航天電子封裝領域擁有廣闊的發展前景[6]。

目前，對于SiCp/Al 復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晶粒尺寸對復合材料組織和性能的影響，結果表明，當SiCp體積分數為35%時，在顆粒大小為7.5～40 μm 范圍內，隨著復合材料晶粒尺寸減小，位錯強化增加，強度和硬度顯著提高；Bai 等[8]利用超聲輔助車削技術加工SiCp/Al 復合材料，獲得了比常規加工和超精密切削加工表面粗糙度更小的加工表面。也有開展對復合材料的輻照研究：Liu 等[9]用高能He 離子對還原氧化石墨烯（RGO）/Al 復合材料進行輻照，發現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復合材料，發現輻照后材料發生了輕微的輻照腫脹和輻照硬化，延伸率減小。

美國已在航空航天領域大規模使用SiCp/Al 復合材料。例如，在F-22“猛禽”戰斗機的自動遙控駕駛儀、發電單元以及電子計數測量陣列等主要的電子系統中都有應用[6]。我國鋁基復合材料研究雖發展較晚，但在國家相關計劃支持下，目前的研制已接近國外先進水平[12]。未來，如果將SiCp/Al 復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，還要對其在輻照環境下的位移損傷進行研究[13-14]。位移損傷效應可以使材料產生點缺陷，并且隨著輻射注量增加，會在材料中形成團簇、位錯、位錯環及空洞等缺陷。這些缺陷的相互作用可導致材料的力學性能改變，包括硬度增加、延伸性減小以及發生脆化等，從而無法滿足電子元器件支撐要求。在某些高集成的精密儀器上，輻照損傷可能會使封裝材料塑性發生輕微變化，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合材料在輻照前后的力學性能和微觀結構變化十分重要。

造成材料位移損傷的主要有質子和重離子等因素，而質子輻照材料時可能會在某些材料內產生氣泡[17-18]，使得材料的微觀結構演化較為復雜，對輻照損傷機理的表征造成困難。因此，本文選擇既是空間輻射環境中的離子又能較為清楚提供材料輻照損傷信息的Fe11+離子來觀測低能（＜10 MeV）重離子對SiCp/Al復合材料產生的輻照損傷[19-22]。輻照完成后，利用X 射線衍射（XRD）儀和納米壓痕儀對SiCp/Al 復合材料的微觀結構和輻照硬化程度進行表征，旨在為重離子輻照鋁基復合材料提供地面實驗數據，為抗輻射封裝加固技術研究提供實驗基礎。

本實驗所使用的SiCp/Al 復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，樣品表面均進行了拋光處理。材料成分如表1 所示。

表1 SiCp/Al 復合材料成分Table 1 Composition of SiCp/Al composites

輻照實驗在中國科學院近代物理研究所320 kV高壓平臺上完成。室溫下，利用能量為3 MeV 的Fe11+離子對SiCp/Al 復合材料進行輻照。鑒于目前鋁基復合材料的輻照研究較少，本實驗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]。輻照時間分別為3、6 和28 min，Fe11+離子入射注量分別達到了5×1013、1×1014和5×1014cm-2，以對比不同的入射注量對材料的輻照損傷影響。輻照損傷程度可用dpa（displacement per atom）表示，即靶材中平均每個晶格原子被碰撞發生移位的次數，也稱作位移損傷劑量。dpa 通過式(1)進行計算[23]，

1 實驗

其中：D為平均每個入射離子在x深度處單位距離內產生的空位數，由SRIM 軟件計算得出；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 復合材料位移損傷與離子注入深度的關系。由圖1 可知，入射注量為5×1013、1×1014和5×1014cm-2時，樣品的位移損傷劑量分別達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 對材料進行表征分析。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。測試過程中，掃描范圍為20°～100°，步長為0.02°，掃描速度為4 (°)/min。所選靶材為銅靶，其Kα X 射線波長為0.154 nm。

根據SRIM 軟件計算結果可知，材料表面輻照層厚度約為2.5 μm，因此采用能夠測試微納米范圍硬度的納米壓痕儀來測試材料的輻照層硬度變化。室溫下，使用Cube 壓頭在連續剛度模式下對樣品進行測試。測試過程中，每個樣品表面打6 個點，點與點的間距約為70 μm，泊松比取0.3。測試完成后得到了樣品表面下方0～1250 nm 深度范圍內納米硬度隨深度變化曲線。

2 數據結果和討論

2.1 XRD 譜圖

圖2 為SiCp/Al 復合材料輻照前后XRD 譜圖。將圖2 中衍射峰寬度以及大小等數據與Jade 軟件PDF 卡片庫信息進行比對，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程產生的第二相。根據Gao 等的研究，第二相CuAl2能夠提高Al 基體和SiC 顆粒的結合強度以及復合材料的硬度[24]。

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

與輻照前相比，輻照劑量達到0.05 dpa 時，XRD 譜內既沒有衍射峰消失，也沒有新的衍射峰生成。說明該劑量下Fe11+離子輻照未導致SiCp/Al復合材料形成明顯缺陷。但是，從圖2 左下角紅色橢圓圈注區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，說明SiC 內部缺陷增加，SiC 晶格發生無序化[25]。當輻照劑量達到0.50 dpa 時，SiC 的(104)晶面幾乎消失不見，說明隨著劑量增加，材料損傷增加，最后形成非晶核，即SiC 顆粒非晶化。

進一步分析Al (200)晶面衍射峰發現，除了SiC 顆粒發生非晶化外，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為反射級數；λ為銅靶的Kα X 射線波長。可知，當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較小）時，Al (200)晶面間距d先減小后又略微增大。根據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[26]。分析認為，間隙原子比空位更容易聚集，因此輻照劑量較小時材料形成的間隙原子團更多，因而晶面間距減小[27-28]。隨著Fe11+離子入射劑量增加，材料內部產生更多的點缺陷，點缺陷促進了更多空位缺陷團的形成，因而Al (200)晶面間距又略微增大。

另外，材料輻照層的殘余應力也與晶面間距有關[29]，可表示為

式中：d0為SiCp/Al 復合材料空白樣的晶面間距；d 為Fe11+離子輻照后SiCp/Al 復合材料的晶面間距；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。根據式(3)可知，當d0不變，d變小時，σ為正值，說明材料產生了壓應力。

2.2 納米壓痕

由于納米壓痕儀較敏感的自身特點和材料表面效應的影響，本文忽略了納米壓痕儀測量的h＜50 nm 的 數 據[30]。對50 nm＜h＜1250 nm 的6 個點的納米硬度數據求取平均值，并計算標準差，所得結果如圖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，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，這種現象被稱為壓痕尺寸效應（ISE）。

對于ISE 的解釋可利用基于幾何位錯理論的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 是納米壓痕儀測得的硬度； H V0是無限深處的硬度，是獨立于壓痕深度以外的表征整體硬度的參數；h是壓痕深度；h*是由壓頭形狀和材料決定的特征長度。通過Nix-Gao 模型可以計算HV2-1/h的關系曲線，進而獲得材料在輻照層內的硬度數據。不同劑量的Fe11+離子入射時的HV2-1/h關系如圖5 所示。

圖5 不同劑量的Fe11+離子入射時的HV2-1/h 關系Fig.5 HV2-1/h relation for different dpa of Fe11+ ion incidence

Nix-Gao 模型計算的不同入射劑量下的SiCp/Al復合材料輻照層硬度結果如表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+離子輻照導致材料出現了輻照硬化。

表2 Nix-Gao 模型計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 位錯密度

為了進一步研究Fe11+輻照產生的壓應力對材料微觀結構的影響。本文利用Williamson-Hall 提出的公式計算位錯密度[32]：

式(5)中，β是XRD 衍射峰的半高寬；k為常數，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，可作出散點圖（如圖6 所示）；將散點進行線性擬合，結合式(5)可得到不同輻照劑量下Al 基體的微觀應變ε和晶粒大小D。再結合式(6)即可得到位錯密度ρd（其中，b是柏氏矢量，取0.286[33]），結果如表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 公式計算出的位錯密度Table 3 Dislocation density calculated by Williamson-Hall formula

結合2.1 節可知，Fe11+輻照使得Al 基體產生了壓應力。隨著入射劑量增加，壓應力增大。當壓應力足夠大時，所有的原子將處于不穩定狀態。為了達到穩定狀態，這些原子將通過克服相鄰原子形成的壁壘而移動。原子在移動過程中會形成新的位錯，這些位錯與現有的位錯網絡合并形成了高密度位錯區。以上即是隨著離子輻照劑量增加，SiCp/Al復合材料位錯密度增加的原因。在本研究中，隨著位錯密度增加，材料硬度也不斷增加，故此推斷材料出現輻照硬化是由于位錯密度增加導致的。

3 結束語

本文通過實驗研究了同一能量（3 MeV）、不同注量的低能Fe11+離子輻照對航天器電子元器件封裝基板用SiCp/Al 復合材料的影響，并結合理論分析，探討輻照損傷產生的缺陷演化與材料硬化的機制。結果表明：1）Fe11+離子輻照誘發SiCp/Al復合材料生成了大量的點缺陷并導致晶格的無序化，當注量達到1×1014cm-2時，SiC 顆粒會發生非晶化；2）Fe11+離子注入后材料出現了輻照硬化，并且隨著入射劑量的增加，材料硬度增大；3）利用Williamson-Hall 公式計算了材料輻照前后的位錯密度，發現隨著輻照劑量增加，位錯密度增大，這可能是本實驗中材料輻照硬化的深層原因。以上研究結果為后續SiCp/Al 復合材料用作航天器電子元器件封裝基板的優化和改進提供了實驗參考和支撐。

由于實際空間輻射環境復雜，粒子多樣，能量、溫度等范圍跨度大，還可能存在耦合效應。因此，更多種類及不同空間環境條件下的離子注入對SiCp/Al 復合材料的性能影響有待進一步研究，以綜合、全面地評價該材料的抗輻射性能，進而針對性地開展電子元器件抗輻照封裝加固改進技術研究，助力航天器在軌長期高可靠運行。

致謝

感謝中國科學院近代物理研究所320 kV 高壓平臺工作人員為本文實驗工作提供束流保障。