碳间隙填充型Cr12Nb22Mo22Ta22W22高熵合金/环氧树脂复合材料的抗电子辐照封装硬化研究

为解决商业航天器件在空间辐射环境中的可靠性问题，研究人员通过高能球磨法制备碳间隙填充型Cr12Nb22Mo22Ta22W22高熵合金（Cx-HEA），并与环氧树脂（EP）复合形成新型封装材料。实验表明，C4-HEA/EP对1 MeV电子的屏蔽效率提升10.43%，且封装后的MOSFET器件表现出优异的辐照稳定性。该研究通过"间隙填充"效应调控电子云分布，为航天器件抗辐照硬化提供了新策略。

　　

随着星链卫星、载人登月等新一代空间任务的快速发展，商业航天器件的低成本化和可靠性成为关键挑战。金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）作为核心元件，在复杂空间辐射环境中表现出严重脆弱性。虽然航天级MOSFET具有特定环境适应性，但其高昂成本和长制造周期制约了发展。因此，开发高效抗辐照硬化技术成为实现商业器件航天应用的关键。

传统抗辐照硬化方法包括工艺硬化、设计硬化和封装硬化，其中封装硬化通过材料屏蔽直接辐射，具有成本低、效率高的优势。聚合物基复合材料因轻量化和柔性成型特性，成为MOSFET封装硬化的理想候选材料。而高熵合金（HEAs）因其多主元协同效应和熵稳定特性，在极端环境中展现出巨大潜力，特别是由W、Ta、Nb等难熔金属组成的难熔高熵合金（RHEAs），具有丰富的核外电子和优异的辐射屏蔽效率。然而，原子随机堆垛结构中未占据的八面体/四面体间隙仍是辐射耗散的薄弱区域，相关研究尚属空白。

针对这一科学问题，研究人员通过高能球磨法可控合成碳间隙填充型Cr₁₂Nb₂₂Mo₂₂Ta₂₂W₂₂高熵合金（C_x-HEA）粉末，并与环氧树脂复合形成C_x-HEA/EP材料。该复合材料不仅具备良好的分散性、导热性和机械性能，更通过"间隙填充"效应显著提升辐射屏蔽效率。实验表明，C₄-HEA/EP对1 MeV电子的屏蔽效率达63.28%，较未填充材料提升10.43%，是铝板的2.64倍。密度泛函理论（DFT）计算揭示，碳原子间隙填充引起显著电荷积累，局部电子密度增加提高了高能电子与核外电子的非弹性碰撞概率，从而增强对入射电子的衰减能力。

在材料制备方面，研究采用高能球磨法（600 rpm，12小时）合成不同碳含量（0-6 at.%）的C_x-HEA粉末，通过球磨参数控制实现间隙填充。复合材料通过粉末与环氧树脂混合后固化成型，重点考察了20%填充比例下的性能。表征手段包括X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和电子能量损失谱（EELS）等，结合DFT计算分析电子结构变化。

研究结果显示，碳间隙填充显著改善了材料的辐射屏蔽性能。C₄-HEA/EP在1 MeV电子辐照下表现出最优屏蔽效率（63.28%），较未填充样品提升10.43个百分点。封装后的MOSFET器件在辐射环境中展现出卓越的稳定性。DFT计算证实，碳原子填充导致间隙区域电荷密度增加，形成电子云重分布，这是提升屏蔽效率的关键机制。此外，复合材料的热导率和机械性能也优于纯环氧树脂，满足航天封装材料的综合要求。

该研究创新性地提出"间隙填充"策略，通过轻原子掺杂补偿几何间隙并调控电子结构，为解决传统高熵合金辐射屏蔽材料的固有缺陷提供了新思路。研究成果不仅推动了抗辐照封装材料的发展，更为商业器件在航天应用中的可靠性保障提供了切实可行的技术方案，对促进低成本商业航天发展具有重要意义。论文发表在《Applied Materials Today》期刊，为相关领域研究提供了重要参考。