高功率微波窗口材料的研究進展

張 茜，董桂霞，李媛媛，劉秋香，董 麗

(河北聯(lián)合大學材料科學與工程學院，河北省無機非金屬材料重點實驗室，河北 唐山 063009)

高功率微波窗口材料的研究進展

張 茜，董桂霞，李媛媛，劉秋香，董 麗

(河北聯(lián)合大學材料科學與工程學院，河北省無機非金屬材料重點實驗室，河北 唐山 063009)

綜述了高功率微波窗口材料的發(fā)展及應用現(xiàn)狀，比較分析了幾種常用的高功率微波窗口材料的特性，敘述了這幾種窗口材料的制備方法，指出了在制備過程中遇到的一些問題，并提出了改進的方法。并且為了滿足高功率微波窗口材料的需求對新型介質(zhì)窗材料進行了探索。最后展望了微波窗口材料的研究和發(fā)展趨勢。

窗口材料；微波；高功率

0 引 言

隨著高功率微波(HPM)技術(shù)的發(fā)展，HPM器件的輸出功率已經(jīng)達到GW量級，并且還在不斷的提高。微波窗口是用來隔開大氣壞境和HPM器件腔內(nèi)的高真空環(huán)境的關鍵構(gòu)件，目前介質(zhì)窗的擊穿問題已經(jīng)成為HPM裝置進一步發(fā)展的技術(shù)瓶頸[1]。在較高的功率下，熱應力、熱沖擊以及局部的熱擊穿等作用都會導致介質(zhì)窗的破壞[2]。因此，我們要提高對介質(zhì)窗材料特性的要求以適應于高功率的微波源。

一般來說，HPM介質(zhì)窗材料應滿足以下幾個基本性能：(1)較小的介電常數(shù)和介電損耗；(2)較高的擊穿強度；(3)穩(wěn)定的介電性能；(4)較高的熱導率；(5)高熱抗震性；(6)較好的力學性能；(7)易封接；(8)耐溫耐腐蝕性能強。因此，在選擇HPM介質(zhì)窗材料時應依據(jù)的基本性能參數(shù)包括介電常數(shù)，介電損耗，次級電子產(chǎn)生率，介電強度，熱導率系數(shù)等。另外，介質(zhì)表面積累的電荷也會對窗口的耐擊穿性能和使用壽命產(chǎn)生一定的影響，也應予以高度重視。

本文綜述了幾種常用HPM介質(zhì)窗材料的研究及應用現(xiàn)狀，分別介紹了各種窗口材料的特性，并比較分析了它們各自的優(yōu)勢和不足，最后展望了HPM介質(zhì)窗材料的發(fā)展趨勢。

1 幾種常用HPM介質(zhì)窗材料

在HPM介質(zhì)窗的研究中，目前可用作介質(zhì)窗的材料主要有氧化鋁(Al2O3)，藍寶石，氮化鋁(AlN)，氧化鈹(BeO)，氮化硼(BN)，金剛石等。下面主要介紹這幾種常用HPM介質(zhì)窗口材料的研究及應用現(xiàn)狀。

1.1 氧化鋁(Al2O3)

Al2O3陶瓷不僅具有較低的介電常數(shù)和介電損耗，而且還具有優(yōu)異的力學性能，較高的擊穿強度和耐腐蝕性能，并且Al2O3陶瓷的二次電子發(fā)射系數(shù)較低，因而Al2O3陶瓷是微波介質(zhì)陶瓷研究的熱點之一[3-7]。目前，國內(nèi)大量使用的HPM窗口材料是Al2O3陶瓷，國外使用較多的是99.5%-99.9%的高純Al2O3陶瓷或藍寶石。Al2O3陶瓷介電性能的影響因素主要包括純度和顯微結(jié)構(gòu)[6]，另外，外界因素(溫度、濕度等)也會對Al2O3陶瓷的微波介電性能產(chǎn)生一定的影響[8-9]。長期以來，人們主要針對Al2O3陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)(細、密、勻、純)進行研究，來提高其機械性能和介電性能?，F(xiàn)十二所已經(jīng)制備出Al2O3含量達99.7%以上，晶粒度為3-5μm，導熱率為30 W/m·K，介電損耗為6.6×10-5(10GHz)的高純Al2O3陶瓷材料[10]。表1列出了十二所研制出的不同純度下的高純、細晶Al2O3陶瓷的各種性能，可知高純、細晶Al2O3陶瓷具有很好的介電性能，其必將在HPM窗口中得到廣泛的應用。

今后，在制備Al2O3陶瓷這一方面，還需要通過進一步提高粉體的純度和控制粒徑大小以及粒徑均勻性來制備出顯微結(jié)構(gòu)細、密、勻、純，性能優(yōu)良的Al2O3陶瓷。

另外還有一種俗稱藍寶石的單晶Al2O3材料，其介電常數(shù)和介質(zhì)損耗小，熔點高，絕緣性好，使用溫度比較高，但是由于藍寶石的微波透過功率較小并且其具有顯著的熒光發(fā)射性[11]，力學性能及可加工性也較差而且由于藍寶石表面的電荷積累比其它Al2O3陶瓷[12]高，所以作為HPM介質(zhì)窗藍寶石的耐用性比Al2O3陶瓷差。

1.2 氮化鋁(AlN)

AlN陶瓷的理論導熱率值為320W/(m·K)，其與BeO陶瓷的理論導熱率值370W/(m·K)相近?，F(xiàn)國內(nèi)AlN陶瓷的導熱率已經(jīng)達到250W/(m·K)。除此之外，AlN陶瓷還具有以下優(yōu)點：(1)介電常數(shù)、介電損耗??；(2)熱膨脹系數(shù)與硅相近；(3) AlN的二次電子發(fā)射系數(shù)相對于Al2O3和藍寶石是最低的；(4)電絕緣性能好；(5)機械性能好，抗彎強度與Al2O3陶瓷相當；(6)成本較低；(7)無毒性。因此，AlN陶瓷成為常用制作HPM窗口的材料之一。對于AlN陶瓷的制備，因為AlN是共價化合物，很難燒結(jié)致密，所以實際得到的產(chǎn)品很難達到其理論強度和熱導率。一般AlN陶瓷的制備常采用常壓燒結(jié)法和熱壓燒結(jié)法這兩種燒結(jié)方法。另外，為了使其燒結(jié)致密，一般引入一定量的助燒結(jié)劑，助燒結(jié)劑還可以與AlN中的氧雜質(zhì)反應，使晶格完整化，進而可以提高熱導率。李發(fā)等[13]以Y2O3-CaO作為復合助劑，在N2這一氣氛下，在1800-1900 ℃溫度范圍內(nèi)利用熱壓燒結(jié)法，成功的制備出了熱導率在170-200 W·m-1·K-1的AlN陶瓷窗口，并且其漏氣速率等于或小于1×10-10Pa·m3/s，封接強度大于或等于78.40 MPa。近些年來，許多研究人員不斷地嘗試著在AlN陶瓷的制備過程中引入一些先進的陶瓷燒結(jié)工藝。盧斌等[14]采用高純的微米級AlN粉，采用微波燒結(jié)工藝，在不添加任何燒結(jié)助劑的情況下，經(jīng)過一定時間的保溫實現(xiàn)了AlN陶瓷的低溫(1700 ℃)快速燒結(jié)。燒結(jié)出密度達到99.7%的樣品。由此可見，利用微波燒結(jié)實現(xiàn)了低溫快速燒結(jié)，并且可以獲得致密度較高的AlN陶瓷，而且晶粒尺寸細小(＜10 μm)，晶粒結(jié)構(gòu)均勻，晶界中無第二相，為制備高熱導率的AlN陶瓷提供了新的研究方向。隨著新燒結(jié)工藝的不斷發(fā)展，在不久的將來，AlN陶瓷的制備問題將得到有效地解決。

表1 不同氧化鋁陶瓷的性能比較Tab.1 The performance comparison of different Al2O3ceramics

1.3 氧化鈹(BeO)

BeO陶瓷是目前所有的實用陶瓷材料中熱導率最高的陶瓷材料，是致密Al2O3陶瓷的6-7倍 。純度為99%以上，致密度達99%以上的BeO陶瓷，其室溫下的熱導率可達310W/(m·K)。另外，在微波頻率下BeO陶瓷的介電常數(shù)和介電損耗都比較小。而且，BeO陶瓷具有較好的機械性能、高的化學和熱穩(wěn)定性、高絕緣性以及良好的工藝適應性等特點，所以，BeO陶瓷應用很廣泛。BeO陶瓷廣泛用于HPM窗口，其低的介電常數(shù)和介電損耗可以獲得良好的寬頻匹配性能，同時也可以減少功率損失。并且高的導熱率有利于將大功率器件中所產(chǎn)生的熱量快速地傳導出去。因此，能夠保證器件的可靠性和穩(wěn)定性。與Al2O3窗相比較，BeO陶瓷能夠承受更大的輸出功率。比如：BeO窗能夠承受263kW的輸出功率而不被破壞，而Al2O3窗在100kW的輸出功率下就會發(fā)生破裂。但是，BeO陶瓷高溫導熱性能比較差，且氣密性差。并且，BeO價格昂貴，是一種毒性非常大的物質(zhì)，其在制造過程和使用中不僅會對人員安全產(chǎn)生危害而且還會造成壞境的污染。目前已被列為致癌物質(zhì)，并且許多國家和組織已經(jīng)限制了對BeO材料的使用[15]。但是經(jīng)過實踐證明，只要采取完善的防護和處理措施，BeO的毒性所產(chǎn)生的危害是完全可以避免的。

1.4 氮化硼(BN)

氮化硼(BN)是一種特別重要的非氧化物陶瓷材料，常見的有類似石墨的六方晶型(h-BN)、類似無定形碳的無定形態(tài)以及類似金剛石的立方晶型(c-BN)[16]。h-BN[17]是六方晶系層狀結(jié)構(gòu)，是典型的各向異性材料，在平行于沉積面這一方向上和垂直于沉積面這一方向上材料的力學性能、電以及熱都有明顯的區(qū)別，平行于沉積面方向上有較高的抗彎強度(44MPa)、低的熱膨脹系數(shù)(0-2.6×10-4/℃)、較高的熱導率(60W·m-1·K-1)；垂直于沉積面方向上有高的抗壓強度、較低的介電常數(shù)(3-5)和介電損耗(1-1.4×10-4)以及較低的熱導率等。并且該材料有較高的穩(wěn)定性和高溫絕緣性，所以，它被廣泛應用于HPM窗口的制備。

目前，BN的制備方法包括化學氣相沉積法(CVD)和熱壓燒結(jié)法兩種?；瘜W氣相沉積h-BN(CVDBN)是一種純度很高的陶瓷材料，它可以由BCl3(或BF3)+NH3yBN+3HCl氣相反應生成BN[17]，BN沉積到石墨或者其它的耐高溫基體上產(chǎn)生的。CVDBN陶瓷有良好的介電性能和熱穩(wěn)定性，另外，CVDBN陶瓷作為微波介質(zhì)窗還有一個優(yōu)勢：二次電子發(fā)射系數(shù)較低(118-215)，能夠有效地減少擊穿現(xiàn)象。并且CVDBN陶瓷的純度很高，可以達到99.99%，晶粒細小，在陶瓷體內(nèi)幾乎觀察不到有任何空洞的存在。它還具有化學穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗熱震性，這有利于HPM窗承受較大的熱沖擊。但是國內(nèi)生產(chǎn)的CVDBN陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)的均勻性和致密性都不如俄羅斯生產(chǎn)的CVDBN好，而材料的導熱性能和介電性能會因為結(jié)構(gòu)的不均勻而受到嚴重的影響，所以，CVDBN還需要進一步的改善。熱壓燒結(jié)h-BN陶瓷也具有良好的介電性能，但是熱壓燒結(jié)的h-BN陶瓷很難燒結(jié)致密，這是因為h-BN熔點高達2967 ℃，所以需要摻入一定量的燒結(jié)助劑。摻入燒結(jié)助劑的熱壓h-BN陶瓷晶粒呈針柱狀交織排列并且有一定量的玻璃相，可見也難以達到真空氣密，而且熱導率也不如CVDBN陶瓷。近些年來，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，納米h-BN在1250 ℃就已經(jīng)開始熔化，并且可以燒結(jié)致密，但是力學性能難以達到HPM窗口的要求，人們通過在納米h-BN加入第二相如AlN來達到力學要求。

1.5 金剛石

金剛石有優(yōu)異的力學性能：它的硬度是所有物質(zhì)中最高的，可以達到10000 kg/mm2，并且金剛石的熱導率在所有物質(zhì)中也是最高的。除此之外，金剛石還具有優(yōu)異的電學性能：低的介電常數(shù)和介電損耗，是理想的微波介質(zhì)窗材料。正是因為金剛石具有如此多的優(yōu)異性質(zhì)和十分廣闊的應用前景，所以金剛石受到了人們的極大重視。但是因為天然金剛石的價格昂貴、儲量又十分少，而且在50年代利用高溫高壓法制備的金剛石是粉末狀的，粉末狀的金剛石生長成大顆粒的金剛石需要比較高的成本，因此限制了金剛石的應用。近些年來，金剛石的制備已經(jīng)取得了很大的進展。利用化學氣相沉積(CVD)法，能夠制備出各種尺寸和形狀的金剛石膜(CVD金剛石)。因此，擴展了金剛石的應用領域，并且CVD金剛石還具有非常低的微波吸收能力。但是，CVD金剛石從整體上還沒有達到HPM窗口的要求。隨著金剛石制備工藝的進一步發(fā)展，產(chǎn)生了一種比較成熟的制備金剛石的方法：微波等離子體CVD(MPCVD)[18]。利用這種方法可以大面積、均勻的沉積金剛石膜，并且沉積溫度穩(wěn)定的變化，有效地防止了因熱沖擊引起的金剛石膜從基底上的脫落。目前，MPCVD是制備大面積、高質(zhì)量金剛石膜最好的方法。表2列出了幾種常用的介質(zhì)窗材料的性能參數(shù)。

2 新型介質(zhì)窗材料的探索

目前，介質(zhì)窗表面的擊穿現(xiàn)象已經(jīng)成為了HPM裝置進一步發(fā)展的主要瓶頸[1]。我們必須在現(xiàn)有的微波介質(zhì)窗材料的基礎上進一步改進或者研發(fā)新型介質(zhì)窗材料來大幅度的提高微波介質(zhì)窗的擊穿閾值，使介質(zhì)窗得到更廣泛的應用。目前最常用于制作HPM窗口的為陶瓷材料，而陶瓷材料的一些性能又主要取決于其制備方法。利用新型的制備方法，如微波燒結(jié)法，能夠使材料獲得更好的熱學、介電、機械等性能，有利于提高其微波擊穿閾值[1]。

另外，一些其他特殊領域的絕緣材料，例如飛機前端雷達罩[19]，也可以嘗試著應用于微波介質(zhì)窗這一方面。

表2 幾種常用材料的性能參數(shù)Tab.2 The performance parameters of several commonly used materials

3 總結(jié)與展望

上述幾種常用的窗口材料各有自己的優(yōu)勢和不足，Al2O3陶瓷的介電常數(shù)和介電損耗比較小，力學強度大，二次電子發(fā)射系數(shù)較小，并且承受的HPM比較高。AlN陶瓷的二次電子發(fā)射系數(shù)最低，但是AlN陶瓷的介電損耗高，所以AlN陶瓷的抗擊穿性能不如Al2O3陶瓷，且其制備難度較大，焊接性能也不如Al2O3。藍寶石介電損耗很小，使用溫度高，但是因為藍寶石表面沉積電荷高于Al2O3陶瓷[12]所以藍寶石的耐用性比Al2O3陶瓷差。綜合考慮材料性能，Al2O3陶瓷最適用于HPM介質(zhì)窗口的制備。對于HPM介質(zhì)窗，當前研究的主要問題是介質(zhì)窗的擊穿問題，目前，雖然尚未得到能完全滿足GW量級高功率穩(wěn)態(tài)輸出的材料體系，但是，我們相信，隨著HPM介質(zhì)窗材料性能的不斷改善和新型介質(zhì)窗材料的開發(fā)應用，HPM介質(zhì)窗的擊穿問題將得到有效地解決。

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Research Progress of High Power Microwave Window Materials

ZHANG Xi, DONG Guixia, LI Yuanyuan, LIU Qiuxiang, DONG Li
(Hebei Provincial Key Laboratory of Inorganic Nonmetallic Materials, College of Materials Science and Engineering, Hebei United University, Tangshan, 063009, Hebei, China)

In this paper, the development and application status of high power microwave window materials are reviewed, the properties of several common high power microwave window materials are compared, and the preparation methods of several window materials are introduced, the problems in the process of preparation are indicated, and the improving methods are presented. And in order to meet the requirements of high power microwave window materials, the new dielectric window materials are explored. Finally, based on this evidence the development trend of microwave window materials is proposed.

window material; microwave; high power

TQ174.75

A

1006-2874(2014)05-0016-05

10.13958/j.cnki.ztcg.2014.05.004

2014-07-15。

2014-07-17。

國家國際科技合作計劃項目(編號：SQS2014RR047)資助。

董桂霞，女，博士，高級工程師。

Received date: 2014-07-15. Revised date: 2014-07-17.

Correspondent author:DONG Guixia, female, Ph.D., Senior Engineer.

E-mail:dgxdgx01@163.com