W 波段用BeO-TiO2 衰減瓷研究

王松林

（五礦鈹業(yè)股份有限公司，湖南 長沙 410100）

微波衰減材料是微波管中重要的功能材料，它在微波管中的作用是信號的全吸收、降低反射和有選擇地抑制各種模式的雜波［1］。真空電子器件的發(fā)展趨勢是大功率、小型化，因此解決散熱問題成為關(guān)鍵技術(shù)之一。如果使用的衰減材料導(dǎo)熱性能較差，不能及時將熱能傳導(dǎo)出去，就會導(dǎo)致管子局部溫度升高，材料的電阻率下降，微波特性也會發(fā)生變化，影響微波管的正常工作，因此需要選擇熱導(dǎo)率較高的衰減材料。

W 波段（75～110 GHz）作為更高頻毫米波，可支持更大的帶寬和更高的傳輸速率。目前國內(nèi)科研院所正在開展毫米波、太赫茲微波管的研制，需要開發(fā)高頻衰減材料來配套使用。BeO陶瓷具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，可與多種介質(zhì)材料組成復(fù)合材料。

本文研究將TiO2分散到BeO介質(zhì)中，在還原氣氛中燒結(jié)使二氧化鈦半導(dǎo)化形成BeO-TiO2復(fù)合材料，并測試這種衰減材料的密度和導(dǎo)熱性能及在W波段的介電性能。

1 試樣制備和試驗方法

1.1 試樣制備

采用五礦鈹業(yè)股份有限公司提供的高純氧化鈹粉末（純度大于99.5%），原晶直徑為0.3～0.5μm，原晶細(xì)小的氧化鈹粉有較好的填充性能和燒結(jié)活性，其掃描電鏡的微觀形貌如圖1所示。TiO2粉為分析純，純度99%以上。TiO2通常有三種變體即金紅石、銳鈦礦和極鈦礦。其中金紅石是穩(wěn)定相，且介電常數(shù)在三種變體中是最大的。

圖1 高純氧化鈹粉體顆粒形貌

1.2 試驗方法

根據(jù)衰減瓷需要的微波參數(shù)設(shè)計了兩個配方，BeO、TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為70%～78%、22%～30%，另外添加主份A、B，進(jìn)行對比試驗，其配方見表1。

表1 試驗配方成分 %

BeO-TiO2衰減瓷的制造過程為：TiO2預(yù)處理→配料→球磨→配漿料→噴霧造?！尚汀鸁Y(jié)→加工→清洗→還原處理→測試。

先將TiO2粉進(jìn)行鍛燒處理，煅燒溫度為1 200～1 250℃，保溫1～2 h，促使其晶形轉(zhuǎn)變。將BeO和TiO2粉按比例進(jìn)行稱量，為確?；旌暇鶆?，采用循環(huán)攪拌球磨，再進(jìn)行噴霧造粒。干壓再等靜壓的工藝成型，成型坯件在還原氣氛爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度1 500～1 550℃、保溫1～2 h，便可制備出黑色的BeO-TiO2衰減瓷。輔料A作為燒結(jié)助劑添加，可降低燒結(jié)溫度，提高坯體密度。添加的輔料B對降低衰減材料的介電常數(shù)有一定作用。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 材料的密度和導(dǎo)熱性能

根據(jù)阿基米德原理，采用排水法對BeO-TiO2衰減瓷的體積密度進(jìn)行測試。利用掃描電鏡 觀察試樣表面的顯微結(jié)構(gòu)，燒結(jié)的BeO-TiO2復(fù)合材料微觀形貌如圖2所示。

圖2 BeO-TiO2復(fù)合材料（5 000×）微觀形貌

采用閃射法導(dǎo)熱儀測試BeO-TiO2衰減瓷的熱導(dǎo)率，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 BeO-TiO2衰減瓷的物理特性

隨著TiO2添加量的提高體積密度增大，由于氧化鈹含量降低，熱導(dǎo)率逐漸下降。由于引入TiO2使得陶瓷形成了較多氣孔，會降低陶瓷的機(jī)械性能和熱導(dǎo)率。

2.2 材料的介電性能

微波衰減材料的電磁參數(shù)是材料的重要性能參數(shù)，可通過測量表面電阻的方法來間接檢驗衰減材料的適用性，然而表面電阻并不能完全反映材料與電磁場之間的作用［2］。

微波衰減材料的測試方法包括探針法、腔體諧振法、同軸／波導(dǎo)傳輸／反射法、空間法等。氧化鈹衰減瓷通常采用波導(dǎo)傳輸法，但此方法適用的微波頻段為2～40 GHz。目前，國內(nèi)對于衰減材料的性能測試大部分都是厘米波段，在毫米波段的測試研究還很少。試驗分別采用了矩形波導(dǎo)傳輸反射法和自由空間傳輸反射法，測試W 波段的BeO-TiO2衰減瓷復(fù)介電常數(shù)和損耗角正切。在實際測試中，矩形波導(dǎo)傳輸反射法測試的穩(wěn)定性不好，重復(fù)性較差。北京真空電子技術(shù)研究所開展了自由空間傳輸反射法測試的研究，測試比較穩(wěn)定，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 BeO-TiO2衰減瓷介電性能

由圖3可見，隨著頻率的增大，BeO-TiO2衰減瓷的介電常數(shù)呈下降趨勢，而損耗角正切值也逐漸減小。1＃和2＃兩種配方的衰減材料制備的產(chǎn)品通過裝管測試均能滿足W 波段某微波管的使用要求。BeO-TiO2衰減瓷的衰減機(jī)理是在高溫條件下，TiO2在氫氣氣氛中會發(fā)生缺陷反應(yīng)，反應(yīng)式如下：

從而導(dǎo)致晶格失氧，出現(xiàn)氧空位，部分Ti4+變?yōu)門i3+，產(chǎn)生弱束縛電子（Ti4+.e）。在電場作用下它可以從一個Ti4+轉(zhuǎn)移到另一個Ti4+從而形成了電子導(dǎo)電，在高頻電磁場中形成導(dǎo)電損耗［3］。TiO2的添加量增加，其在還原反應(yīng)時氧離子空位濃度增加，能提高導(dǎo)電損耗。但同時氧化鈹含量減少也會導(dǎo)致陶瓷的機(jī)械性能、導(dǎo)熱性能等下降。在實際生產(chǎn)中，需要合理選擇TiO2的添加量。

將加工后的BeO-TiO2衰減瓷樣品在氫氣爐中1 200℃進(jìn)行還原處理，其電性能會發(fā)生一定變化，經(jīng)過處理后的衰減瓷介電性能更加穩(wěn)定。

2.3 衰減瓷的應(yīng)用

BeO-TiO2衰減瓷具有很多優(yōu)點：氣孔率較低，在高真空環(huán)境使用，不會放出大量的氣體，可以金屬化與金屬零件進(jìn)行焊接，能經(jīng)受嚴(yán)格的振動而不損壞，高溫下未發(fā)現(xiàn)有再收縮。此外，由于主成分都是非磁性的，不會對磁控管中的磁場分布帶來不利的影響?？梢夿eO-TiO2衰減瓷是一種能有效吸收電磁波使其衰減并能獲得較高增益的特殊功能材料，能有效地將電磁波轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)出去，可廣泛運用于行波管、速調(diào)管、回旋管、磁控管等微波電真空器件，是微波管中不可缺少的關(guān)鍵材料，有著良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

1.采用BeO和TiO2為原料，添加少量助劑，在氫氣氣氛下燒結(jié)可以制備出BeO-TiO2復(fù)合衰減材料，熱導(dǎo)率可達(dá)到140 W／m·K以上。經(jīng)測試和裝管試用，在W 波段的復(fù)介電常數(shù)和損耗角正切可滿足微波管的使用要求。

2.結(jié)構(gòu)致密的BeO-TiO2衰減瓷具有熱導(dǎo)率高，比金屬陶瓷和滲碳多孔瓷放氣量小衰減量大且使用頻率范圍寬等優(yōu)點，易于燒結(jié)、加工和金屬化焊接，工藝適應(yīng)性強(qiáng)，便于批量化生產(chǎn)。

3.BeO-TiO2衰減瓷是一種特殊的功能材料，其性能對組分和生產(chǎn)條件的變化十分敏感，因而導(dǎo)致該種材料穩(wěn)定性和一致性都比較難于控制，在制作中需要嚴(yán)格控制各種工藝條件。