提到微波真空電子器件，可能很多人會(huì)感到相對(duì)陌生，但若是說(shuō)到雷達(dá)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、核反應(yīng)堆等，那就會(huì)感到親切了。衛(wèi)星需要的幾百瓦功率來(lái)自什么器件？雷達(dá)需要的幾千瓦功率來(lái)自什么器件？核反應(yīng)堆加熱需要的幾兆瓦功率來(lái)自什么器件？是它是它還是它。微波真空電子器件的一種代表性產(chǎn)品就是行波管功率放大器，這是通信衛(wèi)星的關(guān)鍵元器件，沒(méi)有它我們就做不到遠(yuǎn)距離信號(hào)的傳輸。而在日益發(fā)展進(jìn)步的雷達(dá)技術(shù)中，無(wú)論是用于國(guó)防方面的情報(bào)監(jiān)測(cè)，還是民用的汽車(chē)電子、無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛等多個(gè)領(lǐng)域，它也發(fā)揮著舉足輕重的作用。

真空電子陶瓷材料是支撐微波真空電子器件技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，在微波真空電子器件中主要起到絕緣支撐、微波傳輸和微波衰減三個(gè)方面的作用。隨著微波真空電子器件向高頻率、高功率、小型化方向發(fā)展，電場(chǎng)強(qiáng)度和功率密度快速增大，對(duì)陶瓷材料的性能要求大幅提高：用于絕緣的陶瓷材料表面需耐受更高的閃絡(luò)電壓；用于微波傳輸?shù)奶沾刹牧蠎?yīng)具有高的熱導(dǎo)率、高的抗射頻擊穿能力、低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗等；用于微波衰減的陶瓷材料應(yīng)具有高的熱導(dǎo)率和可剪裁的介質(zhì)性能頻譜等，而優(yōu)異的工藝和機(jī)械性能是器件可靠性對(duì)真空電子陶瓷材料的共性要求。

真空電子陶瓷配件

目前常用的真空電子陶瓷材料有氧化鋁瓷(Al₂O₃)、氧化鈹瓷(BeO)、氮化硼(BN)瓷等。氧化鈹瓷、氮化硼瓷一般用于螺旋線行波管慢波線作夾持；氧化鋁瓷有99%Al₂O₃瓷和95%Al₂O₃瓷。國(guó)內(nèi)外在真空電子器件中應(yīng)用最多的是95%Al₂O₃瓷，常用在電子槍、收集極、輸能裝置中，也用作氣體放電器件的外殼和引線絕緣。而隨著真空電子器件相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為滿足高功率、高頻率器件的研制需求，與真空電子陶瓷應(yīng)用相關(guān)的工藝技術(shù)也得到充分重視，如：高耐壓摻雜和涂層技術(shù)、輸能窗二次電子發(fā)射抑制技術(shù)、微型衰減器精密成型與加工技術(shù)等。

氧化鋁真空電子陶瓷的幾種發(fā)展方向

1.高耐壓陶瓷

高壓打火是行波管等微波真空電子器件最主要的失效方式，而絕緣介質(zhì)（陶瓷）表面的耐壓又是其中最薄弱的環(huán)節(jié)，多以陶瓷沿面閃絡(luò)的形式發(fā)生。雖然BeO、AlN、Si₃N₄等陶瓷都具有優(yōu)良的絕緣性能，而氧化鋁陶瓷因其成本低廉、工藝成熟、性能穩(wěn)定，是目前微波真空電子器件中應(yīng)用最廣泛的高壓絕緣材料，但常規(guī)的氧化鋁陶瓷材料的耐壓性能已經(jīng)不能滿足高頻率、高功率、小型化微波真空電子器件的發(fā)展要求。

高壓真空滅弧室氧化鋁陶瓷真空管

研究表明，氧化鋁陶瓷的耐壓能力與其純度、致密度、晶粒尺寸、缺陷種類及濃度、表面狀態(tài)等因素密切相關(guān)，機(jī)理十分復(fù)雜。通常認(rèn)為，在器件工作過(guò)程中，電子撞擊絕緣介質(zhì)（即真空陶瓷部件）表面后，會(huì)激發(fā)出二次電子，這些二次電子又在電場(chǎng)的作用下加速再次撞擊介質(zhì)表面，激發(fā)出更多的二次電子，如此多次反復(fù)，最終導(dǎo)致沿面閃絡(luò)的發(fā)生，從而易產(chǎn)生失效。

因此提高陶瓷材料本身耐壓性能目前主要有兩個(gè)思路，其一是降低表面二次電子發(fā)射系數(shù)，抑制二次電子倍增過(guò)程；其二是適當(dāng)降低表面電阻率，提高電荷消散能力，避免電場(chǎng)的局部過(guò)度集中。

采用Cr₂O₃、Cu₂O等涂層技術(shù)可使氧化鋁陶瓷閃絡(luò)電壓顯著提高，或者采用Mn、Ti等表面摻雜也是一種提高閃絡(luò)電壓的方向。

含Cr₂O₃涂層與無(wú)涂層氧化鋁陶瓷閃絡(luò)電壓

2.微波傳輸陶瓷

微波傳輸要求材料具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、低二次電子發(fā)射系數(shù)、低介質(zhì)損耗、適當(dāng)?shù)偷慕殡姵?shù)等。可用于微波輸能窗的材料主要有氧化鋁（含藍(lán)寶石）、氧化鈹、氮化硼、氮化鋁和金剛石等。

各類微波窗材料物理性能參數(shù)

其中氧化鋁陶瓷雖然導(dǎo)熱率最低，但其力學(xué)性能良好、工藝成熟度高、成本低，仍然是目前應(yīng)用最廣泛的輸能窗材料，通過(guò)提高純度、優(yōu)化工藝可以獲得機(jī)械強(qiáng)度更高、損耗更低的高純細(xì)晶氧化鋁陶瓷。

高純氧化鋁陶瓷窗在微波功率傳輸能力上的優(yōu)異表現(xiàn)很大程度上歸功于其低的介質(zhì)損耗和高的體積電阻率；藍(lán)寶石的介質(zhì)損耗、體積電阻率優(yōu)于高純氧化鋁陶瓷，但是其二次電子發(fā)射系數(shù)偏高，電子在表面碰撞的級(jí)聯(lián)倍增效應(yīng)顯著，導(dǎo)致其微波功率傳輸?shù)哪芰Φ陀诟呒冄趸X陶瓷。

介質(zhì)損耗對(duì)于微波傳輸陶瓷的性能影響較大，但對(duì)于化學(xué)組成十分接近的氧化鋁陶瓷，其介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)也會(huì)有很大差異。例如有研究者對(duì)幾家著名公司的氧化鋁陶瓷產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)同樣是純度均大于等于99.9%的氧化鋁陶瓷，但其介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)跨度達(dá)3個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明不到0.1%的微量摻雜對(duì)氧化鋁陶瓷性能影響巨大。不同的摻雜種類會(huì)在氧化鋁晶格內(nèi)產(chǎn)生不同的缺陷，摻雜的組分多以晶態(tài)或非晶態(tài)形式存在于晶界上，不同的缺陷類型以不同的頻率與外電場(chǎng)發(fā)生作用，從而在不同的電場(chǎng)頻率下表現(xiàn)出不同的介質(zhì)損耗特性。

不同成分高純氧化鋁的介質(zhì)損耗頻譜數(shù)據(jù)

另外，由于氧化鋁陶瓷（包括藍(lán)寶石）二次電子發(fā)射系數(shù)較高(δmax＞６)，高功率下射頻擊穿問(wèn)題比較突出。目前采用在輸能窗表面鍍覆低二次電子發(fā)射材料（TiN等），對(duì)抑制射頻擊穿效果較好，但需對(duì)膜層穩(wěn)定性和抑制效果退化等問(wèn)題進(jìn)一步研究。

3.微波衰減陶瓷

微波衰減材料是真空電子器件中重要功能材料，它的作用是對(duì)微波信號(hào)的有效吸收、降低反射，以抑制各種模式的雜波，保證器件工作的穩(wěn)定性。目前，歐美國(guó)家主要采用是以SiC為衰減相的復(fù)相陶瓷材料，絕緣介質(zhì)基體主要有BeO、MgO、Al₂O₃、AlN等，研究目標(biāo)多著眼于微波介電性能和熱導(dǎo)率。

綜合考慮器件的功能和工藝要求，良好的衰減材料應(yīng)具備：①高導(dǎo)熱；②高強(qiáng)度；③良好的溫度穩(wěn)定性好；④可剪裁的介電性能（以滿足寬頻吸收和匹配要求）；⑤低放氣速率；⑥可加工性能好。這些要求中有些是相互制約的，隨著工作頻率向太赫茲邁進(jìn)，器件尺寸大幅減小，對(duì)衰減材料的綜合性能提出更高要求，頻率達(dá)到2200GHz以上，特征尺寸將減小至0.05mm以下，在滿足導(dǎo)熱、介電等性能的同時(shí)，材料應(yīng)具有高的力學(xué)強(qiáng)度和韌性。

同時(shí)，高功率、高頻率微波真空電子器件的發(fā)展對(duì)衰減陶瓷材料體系和工藝設(shè)計(jì)、顯微結(jié)構(gòu)控制和精密加工技術(shù)提出了新挑戰(zhàn)，為此，必須從更微觀層次開(kāi)展衰減材料設(shè)計(jì)與性能剪裁，實(shí)現(xiàn)材料綜合性能最佳組合，如：將高損耗與低損耗、低介電常數(shù)材料組合成功能梯度衰減材料，改善材料的頻率匹配特性；尋找具有更高導(dǎo)熱性能的介質(zhì)基體，以低維納米材料（納米顆粒、納米線、納米片等）為衰減相為新型衰減材料的設(shè)計(jì)和制造提供了新思路；近年成為研究熱點(diǎn)的3D打印技術(shù)也為復(fù)雜微型衰減器制備加工提供了新途徑。這些都是高性能衰減材料未來(lái)的研究方向。

總結(jié)

電子陶瓷是支撐微波真空電子器件技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵材料，反過(guò)來(lái)，微波真空電子器件向高頻率、高功率、小型化方向發(fā)展對(duì)電子陶瓷技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。其中氧化鋁作為應(yīng)用最為廣泛的一種材料，加強(qiáng)表面耐受更高電場(chǎng)、耐受更高微波功率傳輸、適用于大功率高頻率寬頻帶應(yīng)用的高性能氧化鋁真空電子陶瓷材料的制備研究，是發(fā)展高端微波真空電子器件技術(shù)的重點(diǎn)任務(wù)之一。

參考來(lái)源：

1.真空電子陶瓷材料技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，趙世柯、魯燕萍（真空電子技術(shù)）；

2.電真空器件用陶瓷材料熱導(dǎo)率研究，杜斌、魯燕萍（真空電子技術(shù)）；

3.電真空器件用氧化鋁陶瓷的介電性能，趙世柯（陶瓷）；

4.真空電子器件用氧化鋁陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的研究，何曉梅、王曉寧（真空電子技術(shù)）。

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