一种星用器件抗辐射层状复合材料及其制备方法

技术领域

本申请涉及星用器件技术领域，具体涉及一种星用器件抗辐射层状复合材料及其制备方法。

背景技术

由于卫星会遭遇各种空间带电粒子的辐射，电子器件的空间抗辐射能力是影响导航、通讯等中高轨卫星及深空探测卫星发展的一个重要因素。目前，电子器件遭遇的总剂量和位移损伤效应的防护主要靠被动屏蔽。

抗辐射屏蔽技术是为使航天器等星用器件在空间辐射的环境下正常工作采取的一种辐射防护技术，也是关系到卫星在轨生存能力，确保卫星高可靠性、长寿命的关键基础技术。对于星用器件壳体的抗辐射屏蔽防护主要采用单质金属材料铝、钽等进行局部屏蔽，但是单质金属材料的屏蔽效果有限，提升辐射防护效果的方法只能通过增加屏蔽层的厚度，这将给单机设备的抗辐射设计带来巨大压力和不可承受的质量成本。

现有电子器件的材料，为了满足上述卫星的抗辐射加固需求，使用的铝/钽层状复合材料，但由于两种材料强度太高，在冷轧过程中产生的剪切应力难以使界面产生良好的粘接；如使用热轧复合，虽然可以实现界面的有效结合，但是铝/钽材料在高温条件下会产生金属间化合物，该化合物会导致界面结合强度急剧降低。

发明内容

为了解决本领域存在的上述不足，本申请提供一种星用器件抗辐射层状复合材料及其制备方法。

根据本申请的一个方面，提供一种上述星用器件抗辐射层状复合材料的制备方法，包括：

将2A12铝合金、中间层合金、钽层材料分别进行酸碱处理，除去表面油污等；

将三层材料按照2A12铝合金、中间层、钽的顺序叠放在一起，并点焊固定；

将点焊后的材料通过冷轧机进行轧制复合；

将复合后的材料进行退火热处理，再进行矫平、切边。

根据本申请的一些实施例，所述中间层合金选自1系合金或3系合金。

进一步地，所述中间层合金的成分包括：Si 0.3～0.6份，Zr 0.05～0.1份，Yb0.05～0.1份，Fe≤0.1份，Cu≤0.05份，Mn≤0.05份，Mg≤0.05份，Zn≤0.05份，其余为铝及不可避免的杂质元素。

根据本申请的一些实施例，所述冷轧的轧制变形量为45％-50％。

根据本申请的一些实施例，所述退火温度为：450-550℃；保温时间为：40-50h。

根据本申请的另一方面，还提供一种星用器件抗辐射层状复合材料，为2A12/中间层合金/Ta复合材料。

2A12铝合金为一种高强度硬铝,可以进行热处理强化。

根据本申请的一些实施例，所述中间层合金选自1系合金或3系合金。

进一步地，所述中间层合金的成分包括：Si 0.3～0.6份，Zr 0.05～0.1份，Yb0.05～0.1份，Fe≤0.1份，Cu≤0.05份，Mn≤0.05份，Mg≤0.05份，Zn≤0.05份，其余为铝及不可避免的杂质元素。

根据本申请的一些实施例，所述中间层合金厚度占复合材料总厚度的1-4％；

进一步地，所述中间层合金厚度占复合材料总厚度的3％。

与现有技术相比，本申请至少包括如下有益效果：

根据本申请实施例，提供一种星用器件抗辐射层状复合材料的制备方法，采用冷轧复合的方法，使得本申请的复合材料表面质量和精度均优于热轧复合；由于冷轧复合不需要预加热，而且产生的形变热使钽的温度升高不过超过200℃，不会使钽发生氧化，也不会产生破环界面结合强度的金属间化合物层。

本申请的层状复合材料中添加中间层合金，强度低、延展性好，在冷轧过程中可以产生足够的变形，可提高2A12和Ta的结合效果，避免因冷轧过程中产生的剪切应力导致的界面复合困难的问题；并且，本申请采用的中间层合金厚度薄，只占复合材料总厚度的3％左右，对力学性能的影响可忽略不计。

本申请还提供一种上述方法制备的星用器件抗辐射层状复合材料，为2A12/中间层合金/Ta三层复合材料。该复合材料与目前的单质金属材料相比，其抗高能电子辐射防护性能稳定、制备成本低廉、容易维护、且屏蔽效果优于单质金属材料，能够减少电子器件的质量及成本。

本申请中间层合金和钽层在高温热处理时，由于界面复合微合金化的作用，可以抑制钽铝间的相互扩散，减缓界面钽铝脆性化合物的生成，界面不会生成粗大连续的钽铝金属间脆性化合物，故能有效避免铝/钽层状复合材料界面分离，保证铝/钽层状复合材料高温热处理时，界面结合牢固。

附图说明

图1为本申请示例实施例的抗辐射层状复合材料示意图。

图2为本申请示例实施例的抗辐射层状复合材料在550℃热处理后的扫描电镜图。

图3为本申请对比例4的复合材料热处理后的扫描电镜图。

具体实施方式

如前所述背景技术，目前屏蔽防护将给单机设备的抗辐射设计带来巨大压力和不可承受的质量成本。尽管采用复合材料进行屏蔽防护能提高防护效果和节约成本，但复合材料的制备仍存在较大难题。针对上述问题，本申请提供一种星用器件抗辐射层状复合材料及其制备方法。

下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

特别需要指出的是，针对本申请所做出的类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本申请。相关人员明显能在不脱离本申请内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本申请技术。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

本申请如未注明具体条件者，均按照常规条件或制造商建议的条件进行，所用原料药或辅料，以及所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

下面对本申请进行详细说明。

由于目前屏蔽防护将给单机设备的抗辐射设计带来巨大压力和不可承受的质量成本。本申请发现使用铝/钽复合材料进行屏蔽防护，能够有效解决上述问题。

基于此，本申请提供一种星用器件抗辐射层状复合材料，为2A12/中间层/Ta三层复合材料。

单质金属铝抗辐射效果有限，针对一些高能电子辐射的防护，只能通过增加厚度来提升抗辐射能力，但是提升厚度会增加质量，卫星的话增加质量的成本会大非常多。

其中，中间层合金选自：1系铝合金和3系铝合金中的一种。

进一步地，所述中间层合金的成分包括：Si 0.3～0.6份，Zr 0.05～0.1份，Yb0.05～0.1份，Fe≤0.1份，Cu≤0.05份，Mn≤0.05份，Mg≤0.05份，Zn≤0.05份，其余为铝及不可避免的杂质元素。

所述中间层合金厚度占复合材料总厚度的1-4％；可选地，为3％左右。

本申请选用的中间层合金强度低、延展性好，在冷轧过程中可以产生足够的变形，制备出结合效果良好的2A12/1或3系铝合金/Ta三层复合材料。其他具备相同性质的合金作为中间层均属于本申请的范围。

常规的铝/钽层状复合材料一般使用热轧复合的方法制备，但本申请的层状复合材料中，铝材使用2A12铝合金，钽使用纯钽。

本申请还发现上述复合材料如采用热轧复合将存在以下缺点：

(1)热轧复合时，虽然可以实现界面的有效结合，但是铝/钽材料在高温条件下会产生金属间化合物，该化合物会导致界面结合强度急剧降低，使复合材料分层破坏；

(2)在热轧过程中，一般的热轧温度在350℃以上，再加上复合过程中的变形热，温度会超过450℃。然而，纯钽的温度如果超过280℃，就会开始发生氧化反应，当温度超过350℃，钽材料表明发生明显腐蚀氧化反应，表面开始变色，性能降低，会发生比较严重的氧化腐蚀。

因此，本申请的星用器件抗辐射层状复合材料采用冷轧复合的制备方法。

但是，2A12铝合金和纯钽两种材料常温条件下的抗拉强度都超过400MPa，由于强度太高，两种材料在冷轧过程中产生的剪切应力难以使界面产生良好的粘接。

星用器件抗辐射材料对于界面结合强度和表面质量有很高的要求，采用传统的冷轧或热轧复合都难以满足性能需求，如果使用气氛保护的热轧，会大幅增加生产难度和成本。

基于上述问题，本申请提供一种上述星用器件抗辐射层状复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将2A12铝合金、中间层合金(1系或3系合金)、钽层材料分别进行酸碱处理，除去表面油污等；

(2)将三层材料按照2A12铝合金、中间层、钽的顺序叠放在一起，并点焊固定；

(3)将点焊后的材料通过冷轧机进行轧制复合，轧制变形量为45％-50％之间；

冷轧复合参数：轧制温度：室温；轧制速度：1m/min；

(4)将复合后的材料在450-550℃下进行退火热处理，再进行矫平、切边。

本申请采用冷轧复合，避免热轧温度过高产生钽的腐蚀氧化，以及铝钽间影响界面结合强度的金属间化合物的生成，还通过添加中间层合金材料，避免冷轧过程的剪切应力导致的复合困难的问题。

根据本申请的一些实施例，如图2所示，本申请的复合材料在高达550℃/48h保温的条件下，仍无金属间化合物生成。复合材料的界面结合强度为25-35N/mm。

下面结合具体实施例对本申请进行详细说明。

实施例1

本申请的2A12/中间层/Ta三层复合材料

(1)将2A12铝合金、1050合金、钽层材料分别进行酸碱处理，除去表面油污等；

(2)将三层材料按照2A12铝合金、1050合金、钽的顺序叠放在一起，并点焊固定；

(3)将点焊后的材料通过冷轧机进行轧制复合，轧制变形量为45％；

轧制温度：室温；轧制速度：1m/min；

(4)将复合后的材料进行500℃退火热处理，保温50h，再进行矫平、切边。

界面结合强度测试：30N/mm。

实施例2

本申请的2A12/中间层/Ta三层复合材料

(1)将2A12铝合金、1060合金、钽层材料分别进行酸碱处理，除去表面油污等；

(2)将三层材料按照2A12铝合金、1060合金、钽的顺序叠放在一起，并点焊固定；

(3)将点焊后的材料通过冷轧机进行轧制复合，轧制变形量为50％；

(4)将复合后的材料进行550℃退火热处理，保温48h，再进行矫平、切边。

界面结合强度测试：35N/mm。

实施例3

本申请的2A12/中间层/Ta三层复合材料

(1)将2A12铝合金、工业纯铝、钽层材料分别进行酸碱处理，除去表面油污等；

(2)将三层材料按照2A12铝合金、工业纯铝、钽的顺序叠放在一起，并点焊固定；

(3)将点焊后的材料通过冷轧机进行轧制复合，轧制变形量为43％；

(4)将复合后的材料进行490℃退火热处理，保温50h，再进行矫平、切边。

(5)界面结合强度测试：25N/mm。

对比例1

目前星用器件常用的单质铝合金屏蔽层。

金属铝由于其具有良好的机械性能和较低的经济成本，在辐射防护中得到广泛应用。要使得电子器件3mm铝屏蔽下在轨15年遭遇的辐射总剂量小于100krad[Si]，GEO和MEO轨道分别需要5mm和7mm的铝材料进行屏蔽；对于深空的木星探测，由于电子能量更高，即使20mm厚的单质Al屏蔽下辐射总剂量仍高达近200krad[Si]。这将给单机设备的抗辐射设计带来巨大压力和不可承受的质量成本。

对比例2

纯铝/Ta双层复合材料

制备方法同实施例1。

结果：该双层复合材料强度较低≤10N/mm，无法满足星用器件的强度要求；同时，钽和铝的界面生成粗大连续的钽铝金属间脆性化合物，造成铝层/钽层分离。

对比例3

不含中间层合金的2A12/Ta双层复合材料

制备方法同实施例1。

结果：界面结合强度较低≤3N/mm，未实现复合，无法应用于星用器件。

对比例4

现有技术的一种铝钽复合板材，其制备方法入下：

(1)将钽板带预处理后，对其一侧表面电镀银，得到具有镀银层的钽板带毛坯；

所述预处理的具体过程为：先对所述钽板带进行碱洗，然后再酸洗，在酸洗的同时，以钽板带为阳极、电解槽的槽体为阴极，加载电压，对钽板带进行电解活化，最后进行氢气加热还原处理

(2)将镀银侧的钽板带毛坯与铝板基材进行热轧复合，得到钽铝复合板带；热轧复合工艺中，热轧复合的温度为250～450℃，轧制速度为5～10m/min，热轧复合的第一道次加工率为25～50％；

(3)所述钽铝复合板带经热处理工艺后，获得电容器用钽铝复合板带；所述热处理工艺依次为退火和冷轧工艺；在退火工艺中，退火处理的温度350～450℃，退火处理的时间为8～15h；在冷轧工艺中，冷轧温度为150～250℃，冷轧速度为100m/min，冷轧的第一次加工率为20～35％。

结果：该材料热处理温度最高仅为450℃，已有明显的金属间化合物生成(见图3)。热轧后，其界面结合强度为12-15N/mm。

本申请的复合材料无金属间化合物生成(图2)，界面结合强度高，可达25-35N/mm。而对比例4的复合材料，通过扫描电镜图(图3)可见，其有明显的金属间化合物生成影响其界面结合强度。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。