氮化铝基复相微波衰减材料的研究

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行波管是一种重要的微波功放器件,具有功率大、增益高、频带宽和寿命长等特点,有着半导体器件无可比拟的优越性,广泛应用于卫星通讯、雷达等重点工程。耦合腔行波管是大功率行波管中重要的一类。由于耦合腔行波管结构特点,很容易产生振荡,从而破坏行波管的工作稳定性,因此,研究用于抑制各种振荡的微波衰减材料意义重大。   本文综述了微波衰减材料的种类及研究现状,制定了热压制备AlN基复相材料的工艺路线。通过XRD和SEM对材料的物相和显微结构进行表征。对合成的AlN-FiC、AlN-TiB2和.AlN-SiC三个复相材料体系,系统地研究了组分和工艺参数对烧结性能、显微结构、导热性能和微波衰减性能的影响规律。   在AlN-TiC复相材料体系中,以Y2O3作烧结助剂,采用热压烧结工艺、氮气气氛下制备了一系列不同TiC含量的复相材料。结果表明,在氮气气氛、30MPa压力、1900℃、保温1h的工艺条件下,复相材料由AlN和TiC两主晶相构成,相对密度在99%以上,达到了很高的致密性。当不加衰减剂TiC时,材料几乎没有衰减性能;当TiC含量低于10wt%时,材料呈现选频衰减且衰减量非常的小;当TiC含量在25wt%~50wt%之间时,材料呈现良好的多点选频衰减,且随着TiC含量的增加,材料的衰减量增加,中心谐振频率向高频方向移动,最大达-18dB。随着TiC含量的增加,AlN-TiC复相材料的热导率下降,当TiC含量增至50、wt%时,热导率只有46.6W·m-1·K-1。另外,当TiC含量10wt%时,烧结温度为1800℃~1950℃,随着烧结温度的升高,热导率呈逐渐上升的趋势,热导率从59.8W.m-1·K-1增加到83.6W·m-1·K-1。这说明TiC含量和烧结温度是影响AlN-TiC复相材料热导率的重要因素。   在AlN-TiB2复相材料体系中,以Y2O3作烧结助剂,采用热压烧结工艺、氩气气氛下制备了一系列不同TiB2含量的复相材料。结果表明:在氩气气氛、30MPa压力、1900℃、保温1h的工艺条件下,复相材料由主晶相AlN和TiB2,次晶相BN和TiN四相构成。除了物相组成之外,AlN-TiB2复相材料体系与.AlN-TiC复相材料体系在烧结性能、微波衰减性能以及导热性能方面规律基本相同。   在AlN-SiC复相材料体系中,以TiO2和Y2O3作烧结助剂,采用热压烧结工艺、氮气氛下制备了一系列不同SiC含量的复相材料。当SiC的含量在0~70wt%之间时,复相材料都可以达到很高的致密性,相对密度达到了99%以上;当SiC的含量达到了70wt%以上,SiC的加入将会阻碍复相材料的烧结,且随着SiC含量的增加,这种阻碍作用将会越来越明显。AlN-SiC复相材料在热压烧结的过程中新生成了两相Y3Al5O12和TiC,复相材料由主晶相AlN和SiC、次晶相Y3Al5O12和TiC构成。当衰减剂SiC含量小于40wt%时,复相材料的频谱特性表现为选频衰减且衰减量比较小;当衰减剂SiC含量在40~70wt%时,复相材料的频谱特性表现为宽频衰减,且随着SiC含量的增加衰减量也逐渐增加,最大衰减量达到了-2.3dB左右;当衰减剂SiC含量大于70wt%时,复相材料的频谱特性表现仍为宽频衰减,但随着SiC含量的增加衰减量没有明显的变化。当SiC含量在20~75wt%时,随着SiC含量的增加,复相材料的热导率也逐渐增加,SiC含量75wt%时热导率达到了88.9W·m-1·K-1;进一步增加SiC的含量,复相材料的热导率逐渐下降,当SiC含量80wt%时,热导率降到了42.7W·m-1·K-1。另外,当SiC含量20wt%时,烧结温度为1800℃~1950℃,随着烧结温度的升高,热导率呈逐渐上升的趋势,从42.2W·m-1·K-1增加到68.4W·m-1·K-1。这说明SiC含量和烧结温度是影响AlN-SiC复相材料热导率的重要因素。添加剂TiO2或TiC含量对高含量SiC复相材料的烧结性能会产生较明显的影响,随着TiO2或TiC含量的增加对复相材料的烧结起到促进作用,当TiO2含量大于8wt%或TiC含量大于6wt%时将无促进作用;但TiO2或TiC含量对复相材料的衰减性能没有什么影响。
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