1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.1引言

行波管是重要的微波放大器，具有功率大、增益高、频带宽和寿命长等优点，当今广泛应用于雷达、电子对抗、通信等领域作为微波功率放大的核心器件[1]。而耦合腔行波管是最主要的高功率微波放大行波管[2]，但是由于其慢波结构的特点，使得在追求宽频带高增益特性的耦合腔行波管中，极易出现振荡问题。藕合腔行波管中可能存在的振荡主要包括反射振荡、驱动振荡、返波振荡、槽模振荡和高次模振荡。由于驱动振荡问题的存在，也限制了藕合腔行波管所能达到的最大输出功率[3]。为了消除振荡从而获得较高增益，必须在慢波线的通过区域放置衰减材料来抑制反射，吸收非设计模式波，来确保获得给定的高频参数。

衰减材料是一种高频率的损耗材料，它能够将电磁能转换成热能和其他形式的能量从而将其消耗掉。衰减材料按特性可分为磁衰减型衰减材料和电衰减型衰减材料。大功率行波管工作时真空度要求很高，这样对衰减材料的性能也相应提高要求#8212;材料须具有高温稳定性和高热导率，比如致密的金属和陶瓷材料。通常采用不同的衰减模式来进行抑制不同的振荡类型。常用两种方法为谐振损耗法和谐振损耗法[4]。

本课题计划制备SiC-AlN复相陶瓷微波衰减材料，其中SiC为基体。由于SiC陶瓷难以烧结致密，所以在烧结过程中我们需要选取合适的烧结助剂，在较低的温度下制备出高碳化硅含量，高致密性的SiC-AlN复相陶瓷微波衰减材料。然后再通过XRD、SEM，系统研究复相体系中SiC含量、烧结助剂含量和烧结温度对物相组成、显微结构等性能的影响。

1.2 行波管

行波管是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管。

1943年，物理学家康夫纳在英国制出世界上第一只行波管。1947年，美国物理学家皮尔斯发表了对行波管的理论分析。现代行波管已成为雷达、中子对抗、中继通信、卫星通信、电视直播卫星、导航、遥感、遥控、遥测等电子设备的重要微波电子器件。

行波管的特点是频带宽、增益高、动态范围大和噪声低。工作带宽远高于速调管，它使用处于真空管壳中的慢波结构(可以是螺旋线或藕合腔电路)，在慢波结构中高能量电子和高频电磁波之间互作用[5]。

行波管在结构上包括电子枪、慢路电波、能量耦合器、聚焦系统和手机等部分。下图1-1为行波管结构简图[6]: 图1-1 行波管结构示意图

1.3 微波衰减材料

1.3.1 微波衰减材料的简介

衰减材料是一种特殊的吸波材料，从本质上来说就是高频率的损耗材料，它的工作原理是吸收进入内部的电磁波通过转换成热能和其他形式的能量将其消耗掉。由于大功率微波器件越来越普及，应用领域越来越深入，人们对衰减材料性能的要求也越来越高：（1）在给定的频率范围内，衰减性能要够优良；（2）导热性能良好，可以将热量尽快散发到外界；（3）耐高温且化学稳定性好；（4）机械性能好，能在复杂条件下装配和使用；（5）制备工艺简洁，成功率高且重复性良好。

衰减材料通常是将半导体材料或易于极化的材料分散于介质基体中，依靠半导体材料的电荷载流子或极化材料的偶极子在高频场中的移动或摆动来消耗高频能量以热能的形式释放出去。 电介质在恒定电场下损耗的能量与其内部的电流有关。包括：(1)由几何电容充电引起的电流是电容电流，不损耗能量；(2)由电导形成的电流引起电导损耗；(3)由介质极化所造成的电流产生极化损耗。

微波衰减材料的分类: （1）从衰减机制上可分为电衰减材料、磁衰减材料以及电磁衰减兼有材料三种类型。电衰减材料有碳化硅、碳酸钡、金属陶瓷、二氧化钛、碳化钛、石墨、金属粉等，它们的衰减损耗以电导损耗为主：磁衰减材料有铁氧体、羰基铁粉和FeCrAl等，它们的损耗机制以磁滞损耗为主。而电磁衰减兼有衰减材料是FeSiAl材料。 （2）从材料的结构形式可分为薄膜结构和体积结构[7,8]。薄膜结构一般采用喷涂、真空蒸发、溅射以及涂覆烧结等工艺来实现，材料一般为金属膜或碳膜。体积结构的衰减材料是指一定形状的块体材料，多为陶瓷材料或金属与陶瓷的复合材料[9] （3）从衰减剂的种类可分为半导体-介质型衰减材料和导体-介质型衰减材料两类。半导体-介质型衰减材料以绝缘物质作为基体材料，如Al2O3、AlN、MgO等，以具有半导体性质的SiC、TiO2作为衰减吸收剂。通过调节衰减物质得种类和数量可以改变半导体-介质衰减材料整体介电常数和电阻率；通过掺杂引入其他价态离子， 调节衰减材料的电导率，从而改变其衰减性能。

1.3.2 微波衰减材料的基本参数

电导率

电导率是表示材料导电特性的重要参数，正如前面所说，电导损耗是导体和半导体微波衰减材料在高频下吸收微波能量的主要机理。当自由电子在导体或半导体中运动时，它们会吸收和损耗电磁场的能量，从而使微波产生衰减。陶瓷材料透波性能好，金属则大量反射微波，而半导体能有效的吸收微波。随着电导率的增加，复相材料的介电常数、介质损耗以及电阻损耗都有所增加，但这有可能对频率匹配特性能产生影响。因此通过一定的工艺控制复相材料的电阻率，可得到衰减性能优良的微波衰减材料。

介电损耗

介电损耗由 * MERGEFORMAT 表示，它是表示电介质在外界电场的作用下，单位时间内所消耗的能量。一般包括电离损耗、极化损耗、结构损耗和漏导损耗等[10-11]。

热导率

热导率是表示材料的导热速率，在单位截面积物质上建立单位长度上的一度的温度梯度时，热导率定义为单位时间传导的热量，其单位为W#8226;m-1#8226;K-1。固体中的热导率主要是通过晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的。衰减材料通常采用高导热陶瓷作为基体，如AlN、Al2O3。陶瓷是绝缘体，其热传导机制与金属完全不同，是由声子来传递热量，热导率公式为： * MERGEFORMAT ，其中c为晶体的比热容， 为声子的平均速度， 为声子的平均自由程。通常来说，衰减材料的热导率受一下三个因素的影响：（1）晶格振动，热导率可理解为热导率是在一个温度梯度内通过声子传输而传递的热量。陶瓷材料的热导率取决于晶格中声子的散射，能影响声子晶格散射的因素都可影响材料的热导率。材料的本征热导率会受到晶格缺陷的很大影响，而点缺陷的引入更会显著降低材料的热导率。（2）气孔率，除了材料密度和晶体结构中的缺陷对材料的热导率有影响外，气孔率是另外一个重要因素。气孔可使声子传播路径造成紊乱，降低声子的平均自由程，阻碍声子传播。热导率不仅与材料的整体孔隙率有关，还与孔隙的分布和取向有关。（3）辐射，在高温下工作的材料，辐射对其热导率会产生影响。对于行波管中的切断负载材料，辐射对其热导率的影响不大，而气孔率及声子的影响较为重要[12]。

1.4 碳化硅基复相陶瓷的烧结方法

碳化硅基复相陶瓷的一般常用的制备方法主要有有液相烧结、固相烧结、热等静压烧结、反应烧结和放电等离子烧结。

1.4.1 液相烧结

液相烧结[13,14]的烧结机理是以一定数量的多元低共熔氧化物为烧结助剂，在高温下烧结助剂形成共熔液相，使体系的传质方式由扩散传质变为粘性流动传质，降低了致密化所需要的能量和烧结温度。同时，共熔体的形成引起晶格缺陷，形成自由焓。由于碳化硅烧结温度较高，在高温下碳化硅及其晶格振动更容易，故自由焓随温度的升高而显著增大，大大增加碳化硅内部空位，活化碳化硅烧结度。共熔体能提高烧结体致密化速率，降低晶粒粗化速率。液相烧结首先导致了材料在结构上的变化#8212;#8212;晶粒细小均匀呈等轴晶状，同时由于晶界液相的引入和独特的界面结合弱化，材料的断裂也变为完全的沿晶断裂模式，结果使材料的强度和韧性显著提高。

1.4.2 固相烧结

固相烧结是按其组元多少可分为单元系固相烧结和多元系固相烧结两类。单元系固相烧结纯金属、固定成分的化合物或均匀固溶体的松装粉末或压坯在熔点以下温度(一般为绝对熔点温度的2/3一4/5)进行的粉末烧结。

1.4.3 热等静压烧结

由于纯SiC很难通过常压烧结及热压烧结达到致密，而加入添加剂会影响SiC陶瓷的某些性能。为了进一步解决上述矛盾，许多研究人员采取热等静压(HIP)烧结工艺制备SiC陶瓷，并取得了良好效果。中科院上硅所研究表明，在HIP烧结过程中，Al2O3可有效促进SiC 陶瓷致密化。SiC添加3~5%的Al2O3时，采用HIP烧结工艺，在1850℃和200MPa压力下烧结1h，可得到相对密度93.7%和抗弯强度582MPa的SiC陶瓷。虽然热等静压烧结能获得形状复杂且力学性能较好的致密SiC制品，但是因HIP烧结必须对素坯进行包封，所以目前难以实现工业化生产。 1.4.4 反应烧结

要进行SiC陶瓷的低温烧结，还可采用反应烧结。反应烧结SiC又称自结合SiC，是由α-SiC粉和石墨按一定比例混合成坯体后，并加热到1650℃左右同时熔渗Si或通过气相Si渗入坯体，使之与石墨起反应生成β-SiC，把原先存在的α-SiC颗粒结合起来。如果渗Si完全，就可得到完全致密、无尺寸收缩的反应烧结体。反应烧结虽可制得形状复杂的致密SiC陶瓷，并且具有良好的抗热震性，但烧结体中相当数量Si的存在，使得反应烧结的SiC陶瓷高温性能较差，反应烧结SiC陶瓷在空气中的强度随温度的变化:在1400℃以前反应烧结SiC陶瓷的强度基本上与Si的含量无关，超过1400℃由于Si的熔化，强度骤降。

1.4.5 放电等离子烧结

放电等离子烧结[15]是利用放电等离子体进行烧结的，放电等离子烧结( SPS)工艺是将粉末装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一种新的烧结技术。与传统热压方法相比，SPS可以在较低温度下实现粉体的快速致密化。张勇等采用Al2O3和Y2O3助烧剂，通过 SPS技术制备了碳化硅陶瓷。当SPS工艺参数的烧结温度和压力分别为1600℃和50MPa时。经过5min的烧结，碳化硅陶瓷的致密度可达到99.1％，硬度为HV2550，断裂韧性达8.34MPa#8226;m1/2。弯曲强度达684MPa。

1.5 SiC基微波衰减材料各组分性能

1.5.1 AlN的基本性质

AlN为共价键化合物，属于六方晶系纤锌矿型结构的，[AlN4]结合方式为四面体。AlN晶体的晶格常数为a＝0.31114nm，c＝0.49792nm，其结构示意图见图1.5.1。AlN陶瓷有优良的力学、热学、电学性能。AlN热导率高，据报道多晶热导率为200W﹒m-1﹒K-1，而单晶热导率达320W﹒m-1﹒K-1[16]。且AlN的热导率随温度升高减少缓慢，高温下仍有良好的导热性，是Al2O3(17~25W#8226;m-1#8226;K-1)的5~10倍1MHz下介电常数为8，线膨胀系数与Si匹配，无毒性，比强度高[17]。AlN的化学性质比较稳定，空气中不易氧化，在900℃下才开始氧化，表面生成Al2O3，在高温下氧化速度也较低。在高温金属焊接、电子基板等方面具有巨大的应用潜力[18]。

图1.5.1AlN的晶体结构（○：Al ●：N）

表1.5.1 氮化铝性质

性质	氮化铝
分子量	40.988
密度(g/cm3)	3.26
熔点(K)	3300
热分解温度(K)	2790
比热(Cp)( cal/mol#183;K)	7.4(300K)
线膨胀系数(#215;10-6/℃)	4.03(200℃)
电阻率(Ω#183;cm)	约1013(25℃)
介电系数	aring;0=9.14
能带宽(eV)	6.2

1.5.2 SiC的基本性质

碳化硅[19]是典型的（带隙gt;2ev）半导体SiC中每个原子都被四个异种原子包围，形成定向四面体结构，并有一定程度极化。其中Si的电负性为1.8，C的电负性为2.6，所以离子键对键合的贡献约12%，SiC晶体具有很强的共价性，所以SiC是一种能量很稳定的结构，其原子化能值为1250kJ/mol。SiC主要有立方晶系的β-SiC和六方晶系及三方晶系α-SiC两种类型。碳化硅的多种型体之间可以进行热转换。在1600℃一下，SiC晶型为β-SiC形式；当温度高于1600℃，β-SiC转变成α-SiC的各种多型体：4H-SiC在2000℃左右容易生成；2100℃以上的高温生成15R或6H多型体；对于6H-SiC，在2200℃以上的高温下依然稳定，在光电子学、高温电子学、高频率大功率器件中具有应用价值。

表1.5.2 SiC主要晶型的性能

1.6 本课题研究的目的

国内外对SiC和AlN单独进行性能研究较多[20-24]，对SiC和AlN两者进行复合的材料也多侧重于机械性能。而国内报道的衰减陶瓷衰减量都比较小，衰减频率范围不一。在课题组已开展的研究工作基础上，本文主要进行SiC-AlN体系复相衰减材料的研究，其中SiC质量比在70wt%以上。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

研究问题：本论文计划采用热压烧结制备sic基复相陶瓷微波衰减材料。

由于sic陶瓷难以烧结致密，所以在烧结过程中我们需要选取合适的烧结助剂mgo-ceo2，在较低的温度(2000℃以下)制备出70 wt% sic含量以上的，高致密性sic-aln复相陶瓷微波衰减材料。

然后再通过xrd、sem以及电子万能实验机，系统研究复相体系中sic含量和烧结温度对物相组成、烧结性能以及机械性能的影响。