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微波电子管是当代国防装备和国民经济各个部门都在广泛使用的一类重要的电子器件之一。为了使微波电子管能在特定要求的参数下正常工作,衰减材料是一种不可缺少的关键材料。它能抑制微波管内非设计模式的电磁波,防止自激震荡,增加谐振腔的工作带宽,而且能提高终端电磁匹配性能,使微波管稳定可靠地工作。因此,研究微波管用微波衰减材料意义重大。
本文综述了微波衰减复相材料的物理性能要求与研究进展,微波衰减材料的参数以及微波衰减机理,结合材料设计思想,对微波衰减材料进行了组成设计、工艺路线的设计以及配方设计,采用热压烧结工艺,系统地研究了AlN/W和AlN/Ni两个复相系统的制备、微波衰减性能、导热性能以及介电性能。
在AlN/W复相材料系统中,采用热压烧结工艺、高温、氮气氛下制备一系列W含量的AlN/W复相材料。通过调节衰减剂含量、控制热压烧结温度,结合XRD相分析、Archimede测试、SEM显微结构分析、矢量网络分析仪以及导热率和介电性能的测试,系统的研究了微波衰减剂W含量以及热压烧结工艺对AlN/W复相材料烧结性能、微波衰减性能、导热性能和介电性能的影响。结果表明,衰减剂W的含量以及烧结温度都是影响AlN/W复相材料性能的关键因素。在1800℃时,随着W含量从0~50wt%增加,相对密度从99.0%降至93.1%,致密性变差;1850℃时随着W含量从0~50wt%增加,相对密度从99.9%降至97.0%,致密性变差。在1750~1900℃烧结温度范围内,随着烧结温度的提高,相对密度从96.9%升至98.9%,致密性增强。在AlN/W复相衰减材料表层有少量的新相四方W2C和三方W2B生成,在复相材料的内部,相组成为六方AlN和立方W。1800℃时,W含量10~30wt%,表现多点选频衰减特性,衰减量最大为2.3dB;W含量40~50wt%时,衰减性能表现出较好的宽频衰减特性。1850℃时,W含量10~40wt%,表现多点选频衰减特性;W含量50wt%时,呈宽频衰减趋势。随着温度的升高,衰减量逐渐增大,且谐振峰有向低频移动的趋势。1800℃时,AlN/W复相衰减材料的热导率随着衰减剂W含量的增加而降低,W含量为50wt%时,热导率达到79.5W·m-1·K-1;1850℃时,AlN/W复相衰减材料的热导率随W含量的增加而降低W含量达到50wt%时,热导率为118.2W·m-1·K-1。在1750℃~1900℃烧结温度范围内,AlN/W复相衰减材料热导率随着温度的上升而上升,1900℃时热导率达到136.4W·m-1·K-1。说明温度的升高有利于AlN/W复相材料热导率的提高。AlN/W复相衰减材料的介电常数随W含量的增加而增加,W含量达到50wt%时介电常数为14.75;另外,在1750℃~1900℃烧结温度范围内,复相材料介电常数随温度的升高而增加。说明烧结温度升高有利于AlN/W复相材料介电性能的提高。
在AlN/Ni复相材料系统中,采用热压烧结工艺、1800℃、氮气氛下制备一系列Ni含量的AlN/Ni复相材料。AlN/Ni复相材料在1800℃烧结时,随着Ni含量从0~40wt%增加,相对密度从99.0%降低到79.8%,致密性变差。当金属含量低时(5wt%、10wt%),AlN/Ni复相材料的衰减曲线呈宽频特性;随着金属含量的增加呈现多点选频衰减;当微波衰减剂大于10wt%时,具有叠加宽频特性。AlN/Ni复相材料的介电常数随着Ni含量的增加,先增加后减小。Ni含量在20wt%时,介电常数达到最大值11.91,介电损耗为3.11×10-3。
AlN/Ni复相材料润湿实验表明氮化铝与镍相容性差,润湿角大约为125°。