一种异质多层辐射防护复合结构及其多功能协同优化设计方法

本发明属于辐射防护，具体涉及一种异质多层辐射防护复合结构及其多功能协同优化设计方法。

背景技术：

1、空间环境包含高能辐射、电磁场、轨道碎片、周期温变、高真空及原子氧等多种严苛因素。这些因素会导致电子学系统失效、撞击损伤、材料侵蚀及放气污染，严重威胁航天器的运行安全与服役寿命，其中，俘获辐射带、银河宇宙射线（gcr）和太阳粒子事件（spe）等高能空间射线通过总电离剂量效应、晶格位移损伤以及单粒子效应三种机制，成为诱发空间微电子系统及载荷、空间总线等功能失效或永久损坏的主导因素。为解决微电子系统电离辐射可靠性问题，目前采用的辐射加固技术主要从三种技术途径入手：（1）对集成电路器件进行实质性加固，使器件本身耐辐射；（2）采用软硬件相结合的故障检测和恢复技术，容许辐射轰击器件，但能使器件从辐射影响下恢复正常工作；（3）对集成电路器件进行辐射屏蔽，力图在辐射到达器件之前就将其屏蔽在外。当前，随着软件加固的进展，在一定程度上通过软硬件结合可以避免单粒子翻转的发生和有限的控制单粒子闭锁问题，但是对于电离和非电离引起的损伤，如总电离剂量效应的防护问题必须依靠屏蔽和加固的技术。加固技术主要采用抗总电离辐射剂量能力较高的加固元器件，对材料与工艺的要求极高，成本居高不下。在昂贵的高级器件获取极其困难的情况下，采用一般的商用货架器件再加上专门的屏蔽防护材料就成为一个主要的解决方案。然而，太空任务对质量的要求非常严格。传统的辐射屏蔽材料（如铅和厚铝板）虽然有效，但为满足长时服役需求将变得极其厚重，且具有高原子序数（z）特征，易在粒子轰击下产生致命的次级辐射。此外，材料需协同具备卓越的比强度、高导电导热性及优异的热电物理性能，以应对机械载荷、极端热循环和空间环境侵蚀，从而在显著降低发射成本的同时保障卫星服役的可靠性。因此，积极探索一种面向空间混合辐射场的轻质高强辐射防护复合结构材料，将总电离剂量削减至电子设备安全阈值以下的同时保障材料强度和密度等相较于传统铝材更优成为当前商业航天领域的一个热门发展方向。

2、现有技术中存在如下缺点：

3、（1）太空电离辐射环境通常是复杂多粒子共同影响的混合辐射场，且随着时空发生复杂的演变，目前缺乏针对空间多轨道混合辐射环境的屏蔽方案，无法直接使用leo或geo等单一轨道或单一辐射类型的的防护经验，导致替代传统铝材的辐射防护复合结构多功能（辐射、结构、热）一体化设计尚属空白。

4、（2）传统辐射屏蔽材料过分关注防护性能，忽视了强韧性和轻量化等需求，一方面带来昂贵的“死重量”，另一方面占用了过多本不充裕的空间，材料多功能利用率不高。

5、（3）行业内缺少利用粒子输运程序进行系统化设计的指导性方法论，缺少同时考虑空间辐射类型、辐射能量和辐射降低水平，为材料选择、屏蔽结构及组件优化提供设计的规范。

6、（4）轻量化辐射防护材料均是由物化特性差异性大，互不兼容的多材料复合而成，制备难度极大，而基于粒子输运程序优化设计的材料体系大部分较难实现工艺制造的稳定性，在轻质高强辐射防护复合结构优化设计过程中必须将可制造性作为一个重要的因素加以考虑。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种异质多层辐射防护复合结构及其多功能协同优化设计方法以解决现有技术中存在的缺陷。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种异质多层辐射防护复合结构，包括：由外至内呈镜像对称的结构；

3、由外表面向内依次包括：

4、设置于上表面和下表面的外屏蔽层、设置于所述外屏蔽层之间的内部复合层；

5、所述内部复合层采用结构过渡层、辐射吸收层的叠层顺序单元结构。

6、进一步优选地，所述辐射防护复合结构的面密度介于0.6g/cm2~1.1g/cm2；

7、所述外屏蔽层材质采用金属al或al合金箔，占复合材料的体积分数为：2%~8%；

8、所述结构过渡层采用碳纤维增强环氧树脂复合材料，占复合材料的体积分数为：40%~70%；

9、所述辐射吸收层采用自增强高密度聚乙烯材料，占复合材料的体积分数为：30%~60%。

10、本发明还提供了一种异质多层辐射防护复合结构的多功能协同优化设计方法，所述设计方法用于设计内部复合层的叠层及层厚，包括：

11、步骤1：基于轨道参数与任务周期构建空间辐射环境高保真模型，进而确定

12、双重阈值准则与力学性能需求；

13、步骤2：基于均质材料的屏蔽能力、基础力学性能、材料可获得性、界面结合可行性以及可制造性对候选均质材料进行筛选，基于透射总电离辐射剂量以及吸收总电离辐射剂量与面密度的映射关系评估不同候选均质材料的防护效能；并以所述双重阈值准则为约束，结合减重收益以及材料成本，筛选得到轻量化辐射防护材料体系；

14、步骤3：对满足所述双重阈值准则的均质材料进行辐射防护复合结构设计，对不满足所述双重阈值准则的均质材料进行筛选，基于若干均质材料构成复合材料，基于所述复合材料进行复合结构设计，通过调整所述复合结构的复合材料组成、叠层与层厚得到满足所述双重阈值准则的复合结构，将满足所述双重阈值准则的复合结构输出为辐射防护复合结构；

15、步骤4：对所述辐射防护复合结构进行机械性能分析以及可制造性判断，得到设计方案。

16、进一步优选地，步骤1中，所述双重阈值准则包括：电子器件安全性阈值以及屏蔽材料稳定性阈值；

17、所述电子器件安全性阈值用于约束透射至电子器件处的总电离剂量低于失效临界值；基于所述电子器件安全阈值得到透射总电离辐射剂量限值约束；

18、所述屏蔽材料稳定性阈值用于约束材料累积的吸收剂量低于临界损伤剂量；基于所述屏蔽材料稳定性阈值得到吸收总电离辐射剂量限值约束。

19、进一步优选地，步骤2中，以所述双重阈值准则为约束，筛选得到轻量化辐射防护材料体系的方法包括：

20、以所述透射总电离辐射剂量限值约束评估不同轨道环境与材料属性对屏蔽效果以及结构减重的影响；基于失效临界值确定不同材料在指定轨道空间辐射环境下需要的最小面密度，对比不同方案的减重收益及材料成本，得到满足透射总电离辐射剂量的屏蔽材料体系；

21、以所述吸收总电离辐射剂量限值约束评估所述屏蔽材料体系中的均质材料是否满足吸收总电离辐射剂量限值要求；

22、满足所述双重阈值准则的均质材料构成所述轻量化辐射防护材料体系。

23、进一步优选地，步骤3中，所述辐射防护复合结构用于对机械强度与辐射屏蔽效率匹配以及防止复合材料在轨道热循环下由于热应力或残余应力导致的翘曲和力学失效；

24、所述外屏蔽层基于高z材料的高能量衰减率特征选择轻量化金属材料，用于提供表面导电率以及提供工艺兼容性；

25、所述结构过渡层采用高辐射阈值以及界面兼容性的纤维增强复合材料，用于吸收所述外屏蔽层产生的次级粒子，并在满足机械强度的前提下与所述外屏蔽层结合；

26、所述辐射吸收层基于低z材料的高电离效率特征选择富氢的聚合物材料及最大化富氢材料体积占比的增强体，用于最大化地吸收穿透辐射粒子。

27、进一步优选地，步骤s3中，确定所述辐射防护复合结构的叠层及层厚的方法包括：

28、步骤31：选取外屏蔽层和辐射吸收层材料，基于透射总电离辐射剂量以及吸收总电离辐射剂量与面密度的映射关系获得满足所述辐射防护标准的最小面密度；在最小面密度的基础上，基于任务寿命要求及轻量化要求确定目标面密度设计区间及设定值；

29、步骤32：基于所述映射关系计算所述辐射防护复合结构在不同材料配比下的透射总电离辐射剂量以及吸收总电离辐射剂量；进而基于所述双重阈值准则计算单层所述外屏蔽层的最小厚度，根据所述最小厚度确定所述外屏蔽层的体积分数设计区间及设定值；

30、步骤33：在所述外屏蔽层的体积分数确定的基础上，根据对机械强度和防辐射性能的侧重程度分配所述结构过渡层以及辐射吸收层的比例，确定所述结构过渡层以及所述辐射吸收层的体积分数设计区间及设定值；

31、步骤34：计算构成所述辐射防护复合结构的材料组分的理论密度以及所述辐射防护复合结构的综合密度，结合所述目标面密度得到所述辐射防护复合结构的整体总厚度；将整体总厚度乘每层的体积分数，得到每层的理论总厚度；基于镜像对称设计层数，得到叠层顺序单元中每层的层厚；

32、步骤35：采用粒子输运软件对步骤34的所述辐射防护复合结构进行等效建模，并判断是否满足所述辐射防护标准，对不满足条件的辐射防护复合结构调整叠层和层厚，直到满足要求。

33、进一步优选地，步骤4中，所述基础力学性能包括：弹性模量、抗拉强度、屈服强度、剪切模量、剪切强度、泊松比；对满足所述基础力学性能的复合结构，对比减重收益、结构耐久性及可制造性，得到最佳面密度对应的体积分数配比作为最终设计方案。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

35、本发明针对空间不同轨道多粒子混合辐射环境构建了轻质高强辐射防护复合结构系统化设计方法论，能够协同优化辐射屏蔽、结构承载能力、轻量化、热稳定性及可制造性等多功能需求。

36、本发明中，外屏蔽层之间的内部复合层[cfre / sr-hdpe]ns设置为具有中心镜像对称的多层交替循环叠层结构，引入了大量的界面对次级粒子进行反射和吸收，能更有效地阻断次级粒子的穿透，在相同的面密度下达到了相比传统厚层复合屏蔽材料更低的透射tid，具有优异的轻量化潜力。

37、本发明通过多层交替结构设计引入合适的界面反射和次级粒子吸收解决了传统辐射防护设计中“防辐射与高力学强度不可兼得”的技术偏见，使优化的多层结构构型只需要较少的辐射吸收层（力学性能较差的富氢材料）体积分数（30% ~ 60%）即可实现与纯富氢材料相当甚至更优的屏蔽效果，由此提供足够的结构过渡层材料（力学性能优异的纤维增强复合材料）体积分数（40%~70%）用来增强整体材料的机械性能。