S781白漆低能质子辐照损伤的模拟研究

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1、航天器环境工程第27卷第6期682SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING20lO年12月$781白漆低能质子辐照损伤的模拟研究王旭东1，程远1，李春东2何世禹2杨德庄2，顾鹏飞1(1．北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083；2．哈尔滨工业大学空间材料与环境工程实验室，哈尔滨150001)摘要：文章为研究低能质子与$781白漆的微观交互作用，利用SRIM．2003软件模拟了lO～150keV质子辐照S781白漆过程，计算了$781白漆及其ZnO颜料，粘结剂组分的核阻止本领、电子阻止本领，电

2、离损失、位移损失以及质子的射程。结果表明，$781白漆的电子阻止本领远大于核阻止本领，辐照损伤以电离效应为主，电离损失主要发生在ZnO颜料上。关键词；质子辐照；白漆；能量损失；电离中图分类号：V524．3；TB303文献标识码：A文章编号：1673-1379(201o)06-0682-04DOI：10．3969／j．ism．1673—1379．2010．06．002O前言氧化锌白漆具有低吸收．发射比(璐=0．15--一0．20、钿≥0．90)，而且施涂工艺简单、性能重复性好，价格低廉，因此经常作为热控涂层材料用于各类航天器

3、的被动热控制[1】。几十年来，国内外对空间环境下氧化锌白漆的性能退化进行了大量研究，分析了氧化锌白漆在各种辐照条件下的性能演化规律，建立了性能退化的预测模型和软件并开展了空间搭载试验和地面综合辐照模拟试验[2-81。同时，人们利用电子顺磁共振波谱19]、光致荧光光谱[9-10J、X射线光电子能谱‘11。131和扫描电子显微镜‘11m】，从物理学、材料学等不同方面研究了氧化锌白漆在空间环境下的辐照损伤机制，获取了辐照诱发缺陷以及白漆成分和形貌变化的相关信息。但是，空间环境下氧化锌白漆的辐照损伤是一个复杂的微观过程。氧化锌白漆

4、是由氧化锌颜料和粘结剂组成的复杂非均质体系，其辐照损伤(以空间带电粒子辐照为例)不仅仅涉及电离和位移等多种损伤形式，而且还涉及带电粒子与颜料、与粘结剂、与颜料／粘结剂界面互不相同的交互作用过程。因此，深入研究空间带电粒子与氧化锌白漆的微观交互作用，对认识辐照损伤机制，预测性能退化规律和研发新材料等具有重要的意义。本文利用SRIM(StoppingandRangeofIonsinMatter)软件，模拟lO～150keV质子辐照$781白漆过程中质子与白漆各组分的交互作用。1计算模拟方法SRIM是基于MonteCarlo方法

5、模拟入射粒子在靶材中输运过程的通用计算程序，适用的粒子能量范围为10eV--一2GeV，适用的靶材物质包括各种单质、化合物和复合多层材料。本文主要采用SRIM一2003中的“离子分布和损伤快速计算”(iondistributionandquickcalculationofdamage)模型研究辐照过程中质子与$781白漆及其组分间的能量传递过程，包括核阻止本领、电子阻止本领、射程和能量损失分布等。计算模拟的对象为国产$781白漆，颜料为平均粒径300am的氧化锌粉末，粘结剂为有机硅树脂。根据$781白漆的组成，并假定粘结剂

6、对氧化锌颜料包覆均匀以及氧化锌颜料、粘结剂在白漆中分散均匀，建立$781白漆结构模型：$781白漆为层状结构，每层均匀排列着直径300砌的氧化锌颗粒及包覆于其周围的70nm厚的粘结剂层(如图1所示)。收稿日期：2010．01．13；修回日期：2010．11．15基金项目：国家自然科学基金项目(项目编号：50502006)；北京市科技新星计划(项目编号：2008A029)作者简介：王旭东(1974一)，男，工学博士，副教授，主要从事空间材料的辐照损伤及地面储存环境试验研究。E-mail：xdwang@ustb．edu．cn。

7、第6期王旭东等：$781白漆低能质子辐照损伤的模拟研究683领远大于核阻止本领，说明质子辐照过程中，质子的能量损失主要是由质子与$781白漆组分核外电子间的交互作用引起的。2．2电离损伤与位移损伤图1$781白漆结构模型质子辐照过程中，在入射质子沿其路径不断损Fig·1ConfigurationmodelofS781whitepaint失能量的同时，使$781白漆各组分由于获得能量计算选定的质子能量分别为10keV、30keV、也在发生着各种物理变化。从辐照损伤效应看，这50keV、70keV、90keV、110keV、1

8、30keV、150keV，些物理变化主要包括电离和位移。电离是指入射质各能量下入射的质子数均为10000个。子与$781白漆组分的核外电子发生非弹性碰撞而2模拟结果与讨论使电子脱离原子核的束缚成为自由电子的过程，其辐照损伤表现为在$781白漆中引入过剩的空穴和2·1核阻止本领与电子阻止本领电子密度，与此