空间飞行器关键材料制备用基于离子注入辐照损伤互不固溶金属扩散合金化机制的研究

采用Mo/Ag金属层合材料作为互连材料将有效提高LEO空间飞行器在轨寿命和可靠性，但由于Mo-Ag为互不固溶体系，生成热为正且很难发生扩散，制备比较困难。针对于此，申请者提出了一种基于辐照损伤的互不固溶金属扩散合金化机制：采用离子注入材料使其产生辐照损伤，然后利用该损伤来实现互不固溶体系金属的扩散合金化。基于该扩散合金化机制已成功制备出性能良好的Mo/Ag金属层合材料。本项目将对该扩散合金化机制进行研究，主要包括：①扩散层显微结构的分析表征，基于该辐照损伤的互不固溶、互不反应金属扩散机制（包括空位、扩散金属原子-空位复合体迁移机制等）的研究；②扩散动力学研究，获得离子注入辐照损伤的分布、浓度、温度、压力、时间等因素对扩散层厚度及扩散速率的影响，确定离子束轰击带动扩散的离子能量、剂量阈值；③ 扩散合金化热力学研究，获得基于辐照损伤的互不固溶体系发生扩散合金化后组织形成的热力判据。

本项目在国家自然科学基金的支持下，通过几年的研究，取得的成果如下： . （1）在国内外首次提出了用于互不固溶金属合金化的“辐照损伤合金化”机制，并成功用于Mo-Ag、Mo-Cu和W-Ag等互不固溶金属的合金化，制备出了Mo/Ag、Mo/Cu和W/Ag等层状金属基复合材料。其中，Mo/Ag层状金属基复合材料已达到了国军标GJB2602-1996的要求，制造出了工程样机，可用于我国的长寿命空间飞行器太阳电池阵的互连片；. （2）对互不固溶金属“辐照损伤合金化”机制进行了热力学的研究，建立起了互不固溶金属“辐照损伤合金化”机制的热力学模型。通过对该热力学模型进行了计算，发现材料辐照损伤结构所具有的储藏能决定着采用该合金化机制所获金属界面的显微结构和显微组织：储藏能较大时，界面将为非晶化组织，反之界面为晶态组织；. （3）对互不固溶金属“辐照损伤合金化”过程中的扩散机制进行了研究。通过采用慢正电子湮没、高角度环行暗场像等手段的研究，发现了在合金化过程中辐照损伤（主要是空位）将发生与原子扩散方向相反的定向迁移，迁移距离与原子扩散距离大致相当。空位迁移到Ag层和Mo/Ag扩散层后将聚集成空洞，这意味着本研究在互不固溶金属体系中实现了固溶金属体系扩散才有的Kirkendall效应。这些证据表明材料的辐照损伤能够诱发互不固溶金属金属体系中的扩散，扩散机制很可能是空位机制。. 项目难度较大，后期才获得突破，目前已发表论文1篇，4篇在审，授权专利8项。培养研究生毕业12名。