氮化铝基微波衰减陶瓷的制备与性能研究

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行波管是一种重要的微波器件,具有大功率、高增益、宽频带和较长寿命等特点,与半导体器件相比有较大的优越性,并被广泛使用于卫星通讯、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种。由于耦合腔行波管自身结构特点,其很容易产生各种振荡,而影响行波管的稳定工作,因此,开发用于抑制各种振荡的微波衰减材料具有重大意义。  本文综述了微波衰减材料的种类及研究现状,制定了制备球形玻璃碳的工艺方法及热压制备AlN-GC复相衰减陶瓷材料的工艺路线。通过XRD相分析、相对密度和气孔率测试、SEM显微结构分析、导热率的测试、介电性能测试,系统地研究了AlN-GC复相材料体系的配方、工艺参数对烧结性能、显微结构、导热性能、力学性能及介电性能性能的影响规律。  当AlN-GC复相材料的烧结温度为1850℃、玻璃碳添加量为5wt%时,Y2O3含量为7wt%的试样的热导率达到最大为103.7W·m-1·K-1,Y2O3与AlN表面的Al2O3反应生成Y3Al5O12,生成的Y3Al5O12进一步与Y2O3反应生成YAlO3。且生成的Y3Al5O12和YAlO3会抑制晶粒长大,有利试样致密结构的形成。球形玻璃碳均匀分布在氮化铝基体中,材料致密性较好,晶粒之间结合比较紧密,适量的Y2O3有利于提高试样的烧结性能及导热性能,过多的烧结助剂会因试样中铝酸盐的含量过高,从而导致材料的热导率发生明显的降低。  研究了提高试样的烧结温度对材料性能的影响。以国产氮化铝(d50=2.9μm)作原料,当Y2O3含量为5wt%,外加的GC含量为7wt%时,烧结温度低于1800℃时,样品不能烧结致密,当烧结温度达到1800℃时,试样烧结致密。试样的烧结温度的提高有利于材料的烧结性能的提高。随着烧结温度的升高,试样的抗弯强度以及断裂韧性均呈现出增高的趋势,烧结温度提高到1900℃时,试样的热导率达到最高为79.28W·m-1·K-1。  随着玻璃碳添加量的增加,试样的体积密度逐渐减小,显气孔率逐渐增大,玻璃碳的添加对试样的烧结有一定的抑制作用。同时复相材料的介电常数及介电损耗大体上呈现出先增大后减小的变化规律。且随着玻璃碳添加量的增加,复相材料中AlN与玻璃碳的界面增加,导致了复相材料的热导率的降低。采用国产氮化铝(d50=2.9μm)为原料,添加0-11wt%的玻璃碳含量,未添加玻璃碳时,试样的热导率最高为103.7W·m-1·K-1,当添加的玻璃碳含量为11wt%时,热导率为48.9W·m-1·K-1。采用更细的进口氮化铝(d50=1.13μm)为原料及更高的烧结温度,玻璃碳的添加量为1-9wt%时,当GC的添加量为1wt%时,试样的热导率为95.8W·m-1·K-1,随着GC添加量的增加,材料的热导率逐渐降低,当GC的添加量为9wt%时,试样的热导率最低仅为67.4W·m-1·K-1。说明氮化铝原料的选择、合适烧结的温度及玻璃碳的添加量对材料的导热性能有很大影响。
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