简介概要

钨对AlN基复相材料微波衰减性能影响的研究

来源期刊：稀有金属2006年第6期

论文作者：陈贵巧李晓云丘泰

关键词：无机非金属材料; 氮化铝; 钨; 微波衰减; 复相材料; 稀土;

摘要：以AlN和W为原料,Y2O3为烧结助剂,在1850 ℃的N2气氛下热压烧结制备AlN-W复相衰减材料.运用XRD,SEM,网络分析仪等测试手段,研究了W含量、制备工艺对材料的显微结构、相组成、烧结性能及微波衰减性能的影响.结果表明,AlN-W复相衰减材料的衰减量随W含量的增加而增加,当W含量低于40%时呈现选频衰减特性,而当W含量继续增加到50%时呈现良好的宽频衰减,且衰减量最高达到-1.9 dB.探讨了AlN-W复相衰减材料的主要衰减机制.

稀有金属 2006,(06),813-817 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.06.020

钨对AlN基复相材料微波衰减性能影响的研究

陈贵巧丘泰

南京工业大学材料与科学与工程学院,南京工业大学材料与科学与工程学院,南京工业大学材料与科学与工程学院江苏南京210009,江苏南京210009,江苏南京210009

摘要：

以AlN和W为原料, Y2O3为烧结助剂, 在1850℃的N2气氛下热压烧结制备AlN-W复相衰减材料。运用XRD, SEM, 网络分析仪等测试手段, 研究了W含量、制备工艺对材料的显微结构、相组成、烧结性能及微波衰减性能的影响。结果表明, AlN-W复相衰减材料的衰减量随W含量的增加而增加, 当W含量低于40%时呈现选频衰减特性, 而当W含量继续增加到50%时呈现良好的宽频衰减, 且衰减量最高达到-1.9 dB。探讨了AlN-W复相衰减材料的主要衰减机制。

关键词：

无机非金属材料;氮化铝;钨;微波衰减;复相材料;稀土;

中图分类号： O611.3

收稿日期：2006-03-27

基金：江苏省高校自然科学研究计划 (04KJB430040) 资助项目;

Effect of Tungsten on Microwave Attenuation of AlN-Based Composites

Abstract：

AlN-W composites were prepared by hot-pressing at 1850 ℃ for 1 h in a nitrogen atmosphere.The effect of W contents on microwave attenuation, microstructure of materials, phase composition and sintering performance was studied by XRD, scanning electron microscopy and network analyzer.The results show that atuenuation performance is changed with the content of W.There are narrow frequency band attenuation performances with mass fraction of W lower than 40%, while there are wide frequency band attenuation performances with W content of 50%.The maximal value of attenuation is about-1.9 dB.The mechanism of microwave attenuation was primarily discussed.

Keyword：

inorganic materials;aluminum nitride;tungsten;microwave attenuation;composites;rare earths;

Received： 2006-03-27

随着微波电子管的广泛使用, 微波衰减材料越来越受到重视。它能抑制微波管内的非设计模式的电磁波, 防止自激震荡, 增加谐振腔的工作带宽, 而且能提高终端电磁匹配性能 ^[1] 。国内传统上采用 BeO渗碳、 Al₂O₃渗碳的复相材料作微波衰减材料, 但是BeO剧毒, 渗碳材料高真空下易放气, 在很大程度上限制了它们的应用 ^[2] 。 AlN具有高导热率、无毒及耐腐蚀等特性。在AlN基体中引入导电或半导体的第二相, 可以充分发挥AlN的高导热性能和第二相对微波衰减的能力。 AlN-半导体衰减材料体系作为衰减材料需要引入较多的半导体第二相, 才能提供足够的衰减, 但由于第二相含量高使AlN基复相材料的热导率急剧下降 ^[3] 。为制备高导热率的微波衰减材料, 必须引入衰减能力强的第二相, 以减少第二相的体积, 发挥AlN高导热率的优势。 AlN-导电复相材料国内研究的体系有AlN-Al ^[4] 和AlN-C ^[5] 等, 前者主要是研究力学性能, 后者烧结性能差。金属钼具有良好的导热性, 美国学者Khan等 ^[6,7,8] 选择添加金属钼作第二相, 研究了Mo含量对AlN-Mo复相材料的抗热震性、导电性能以及导热性能的影响, 研究发现, 添加金属Mo的体积含量达25%时, 材料的热导率可达110 W·m^-1·K^-1。本文利用导电和高导热性能优良的金属W, 制备AlN-W复相材料, 着重研究W的添加量对微波衰减性能的影响, 以及制备工艺对材料显微结构、相组成及烧结性能的影响。

1 实验

1.1 试样制备

实验采用的原料为: AlN粉末, 北京钢铁研究总院生产, 平均颗粒尺寸小于0.5 μm; 氧化钇 (Y₂O₃) , 上海跃龙化工厂生产, 纯度99.95%; 金属钨粉, 株洲硬质合金有限公司生产, 平均颗粒尺寸4～5 μm; 乙醇 (CH₃CH₂OH) , 南京化学试剂有限公司, 分析纯。采用AlN粉末和W为原料, Y₂O₃为烧结助剂, 以氧化锆球作研磨球, 无水乙醇作研磨介质, 在高能行星磨上球磨4 h, 然后将料烘干, 再与一定量的金属W粉干法混合9 h, 装入石墨模具中, 置于热压炉中, N₂气氛下, 1850 ℃, 30 MPa下保温1 h, 热压烧结制备AlN-W复相衰减材料。

1.2 试样性能测试

烧结的试样加工成圆柱状谐振腔损耗介质, 尺寸: Φ 10.0 mm×6.2 mm, 运用Archimede法测得试样密度, 并根据理论密度计算试样相对密度; 利用热电瑞士ARL X′TRA型 X射线衍射仪对试样进行相组成分析; 采用英国Wiltron360 B型矢量网络分析仪测定介质谐振损耗腔的微波衰减性能; 利用日本JEOL, JSM-5900型扫描电子显微镜 (SEM) 观察试样断面的显微结构。

2 结果与讨论

2.1 衰减剂W含量对复相材料衰减性能的影响

衰减剂W的量是影响AlN-W系统衰减性能的关键因素。图1和图2给出了W含量 (质量分数) 0%～5%和10%～50%, 1850 ℃、热压烧结、保温1 h的AlN-W复相材料衰减曲线图。由图1可见, 当W含量低于10%时, AlN-W复相衰减材料的衰减量不明显, 小于10 GHz几乎没有衰减, 但随着频率的提高, 衰减量有所增加。当W含量小于10%时衰减曲线呈选频趋势, 且吸收峰的位置在14～16 GHz之间。随着W含量的增加衰减量增加, 谐振峰的位置向低频移动。由图2可以看出, 当W含量继续增加, 衰减量明显增加, W含量在10%～40%范围时衰减曲线呈现多个吸收峰。当W含量为50%时衰减曲线呈现良好的宽频, 而且谐振峰的位置向高频移动, 最大衰减量为-1.9 dB, 谐振峰的位置在16～17 GHz之间。

图1 W含量0%～5%的微波衰减曲线 (1) 0%W; (2) 2.5%W; (3) 5%W

Fig.1 Microwave attenuation curves with different contents of W

图2 W含量10%～50%微波衰减曲线 (1) 10%W; (2) 20%W; (3) 30%W; (4) 40%W; (5) 50%W

Fig.2 Microwave attenuation curves with different contents of W

以上讨论表明, 少量衰减剂W在低频下无明显衰减, 随着衰减量逐渐增加, 表现出明显的锯齿型选频衰减特性, 并且当W含量达到50%时, 衰减性能表现出较好的宽频特性。

2.2 材料显微结构的分析

为研究W在AlN基体中的分散情况, 本实验采用两种方法制备粉料, 分别为湿法和干法。图3是采用两种不同方法混合热压烧成后断面的背散射成分像。

由图3 (a) 和 (b) 可以看出, 干法混合明显优于湿法混合, 由于AlN-W复相系统中AlN和W两者的密度相差大, 传统的湿法混合已不能满足AlN-W复相系统的要求, 由图3 (a) 和 (b) 湿法和干法的显微结构可以看到, 相同W含量的复相材料通过不同的混合方法后, 湿法中衰减剂明显混合不均匀, 而且衰减剂发生堆积。整体来看, 干法混合在均匀性上有一定的改进。

2.3 系统相组成分析

本实验是在高温氮气气氛下, 涂有BN的石墨模具中热压烧结而成, 金属W在高温下易碳化, 材料的相组成对衰减性能也有着很重要的影响, 而物相组成可以通过烧结工艺制度如气氛、温度等来进行调节。因此, 对系统的相分析是探讨影响复相系统衰减性能的关键因素之一。图4是1850 ℃保温1 h烧结样品的XRD图。由图4 (1) 可知, 在烧结试样的表层除了有AlN之外, 还有新相W₂B以及W₂C生成。如图4 (2) 所示, 烧结制品内部相组成是AlN和W, 说明复相材料是AlN和W 的复相材料。 W含量20%时测试了AlN-W复相材料的热导率, 为98.8 W·m^-1·K^-1。

2.4 烧结性能分析

表征材料烧结性能的相对密度在反映材料的致密性的同时, 也反映了此材料用在真空条件下的气密性。相对密度越大, 材料的致密度越好, 真空条件下的气密性也越好。从图5 W含量-相对密度的关系可以看出, 随着W含量的增加相对密度有下降的趋势。说明W的加入妨碍烧结。另外, 图6是W含量分别为0%, 5%, 20%, 50%的断面扫描电镜图。从图6可见, W含量分别为0%, 5%时, 复相材料烧结非常致密, 当加入20%的W时, 有极少量的气孔, 而且衰减剂W较均匀的分散在AlN基体中。从图6 (d) 可见, 随着衰减剂W含量的增加, 气孔逐渐增多, 致密性有所降低。图6测得的结果与图5所测得的结果相吻合, 说明W含量增加妨碍烧结。

图3 AlN-W复相材料BEC背散射成分像

Fig.3 BEC of AlN-W composite with 20% content of W

湿法干法

图4 1850 ℃保温1 h (20%W) AlN-W复相材料的XRD图

Fig.4 XRD patterns of AlN-W composite (W20%) at 1850 ℃ for 1 h

(1) 试样表面; (2) 试样内部

图5 不同W含量AlN-W复相材料的相对密度

Fig.5 Relative density of AlN-W composite with different contents of W

2.5 AlN/W复相材料衰减机制的初步分析

在AlN-W复相材料中, 金属W是良好的导电体, 理论上对各个频率点的电磁波都有一定的衰减损耗, 对宽频衰减特性起到一定的贡献。当衰减剂W的体积分数较少时, 弥散在基质相中的导电

相W颗粒被绝缘相AlN有效地隔断, 从而使材料对电磁波体现为有效的体吸收效应, 因此, 复相材料中W颗粒尺寸、含量及分布对微波衰减性能起决定性作用。利用扫描电镜分析了不同W含量的AlN-W复相材料的显微结构。图7为W含量20%时的复相材料断面形貌图, 近似球形的颗粒为金属W, 晶粒尺寸约5 μm, 均匀分散在介质AlN中, W晶粒被有效地隔断, 从而保证了金属W对微波的有效吸收。复相材料吸收的电磁波的能量可以用公式来表示 ^[9] : Q=ω/4π (ε″E²+μ″H²) (式中Q为在1 s内和1 cm³物质中放出的热量, E, H分别为电场和磁场强度, ω为微波频率) 。公式表明能量的吸收是由ε和μ的虚部决定, 它们的虚部分别为电损耗和磁损耗。 AlN和W都是非磁性材料, 没有磁损耗, 而该体系的介电常数随金属组分含量的增加而上升 ^[10] 。因此, 对于AlN-W 复相材料, 电阻损耗是其主要的微波衰减机制。由图7可知, 金属W颗粒均匀地弥散在绝缘介质AlN中, 在微波场作用下, 主晶相AlN与金属W相界上必然会产生电荷堆积, 从而形成空间电荷极化, 在交变电场中弛豫的过程中会吸收、衰减电场能, 从而起到微波衰减的作用。另外, 该复相材料实际上还包含晶界相、位错、反向畴界等多种结构缺陷 ^[5] , 这些结构缺陷也会消耗微波场的能量。