AlN-SiC复相微波衰减材料性能的研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年4 期 3 7 A l N S i C 复相微波衰减材料性能的研究 程卫华，李晓云，丘泰，贾杪蕾，张晓伟 南京工业大学材料科学与工程学院，南京2 1 0 0 0 9 擒要采用热压烧结工艺制备了A l N S i C 复相微波衰减材料。通过X R D 、S E M 和网络分析仪，研究了 S i C 含量对材料的微波衰减性能的影响。结果表明．当S i C 含量小于4 0 ％时，复相材料的频谱特性表现 为选频衰减且衰减量比较小；当S i C 含量在4 0 ％～7 0 ％时，复相材料的频谱特性表现为宽频衰减，且随 着S i C 含量的增加衰减量也逐渐增加，最大衰减量达到了一2 ．3d B 左右l 当S i C 含量大于7 0 ％时，复相 材料的频谱特性表现仍为宽频衰减．但随着S i C 含量的增加衰减量没有明显的变化。初步探讨了A l N - S i C 复相材料微波衰减曲线的频谱特性与衰减机理。 关键词氮化铝；碳化硅；微波衰减；热压烧结 中图分类号T 1 3 3 4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 9 0 4 0 0 3 7 0 4 S t u d yo nP e r f o r m a n c eo fA I N S i CC o m p o s i t e sw i t hM i c r o w a v e A t t e n u a t i o nC h a r a c t e r i s t i c s C H E N GW e i - h u a ，L IX i a o - y u n ，Q I UT a i ，J I AM i a o l e i ，Z H A N GX i a o - w e i C o l l e g eo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，N a n j i n g2 1 0 0 0 9 A b s t r a c t A I N - - S i Cc o m p o s i t e sw i t hm i c r o w a v ea t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ep r e p a r e dv i ah o t - p r e s s i n g m e t h o d ．T h ee f f e c to ft h ec o n t e n to fa t t e n u a t o rS i Co nt h em i c r o w a v ea t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw a si n v e s t i g a t e db yX R D 、S E Ma n dn e t w o r ka n a l y z e r ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ec o n t e n to fS i Ci sl o w e r t h a n4 0 ％，A I N S i Cc o m p o s i t e sr e p r e s e n tt h en a r r o wf r e q u e n c yb a n da t t e n u a t i o np e r f o r m a n c ea n dt h ea t t e n u a t i o ni sv e r yl o w ．W h e nt h ec o n t e n to fS i Ci si nt h er a n g eo f4 0 ％t o7 0 ％，t h ec o m p o s i t e sr e p r e s e n t w i d ef r e q u e n c yb a n da t t e n u a t i o np e r f o r m a n c e s ．A tt h es a m et i m e ，w i t hi n c r e a s i n go fS i Cc o n t e n t ，t h ea t - t e n u a t i o ni n c r e a s e s ．m a x i m a la t t e n u a t i o nr e a c h e sa b o u t 一2 ．3d B ．W h e nt h ec o n t e n to fS i Ci Sm o r et h a n 7 0 ％，t h ec o m p o s i t e ss t i l lr e p r e s e n tt h en a r r o wf r e q u e n c yb a n da t t e n u a t i o np e r f o r m a n c e ，b u tw h e nt h e c o n t e n to fS i Ci si n c r e a s d ，t h ea t t e n u a t i o nh a sn oo b v i o u sc h a n g e ．M e c h a n i s m so fm i c r o w a v ea t t e n u a t i o n w e r ed i s c u s s e dp r e l i m i n a r i l y ． K e y w o r d s A l u m i n u mn i t r i d e ；C a r b o r u n d u m ；M i c r o w a v ea t t e n u a t i o n ；H o t p r e s s i n gs i n t e r i n g 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，增加微波管的带宽，而且能 提高微波管终端电磁匹配性能[ 1 ] 。国内在设计雷达 耦合腔行波管时，传统上采用的切断匹配负载是用 多孔氧化铝或氧化铍陶瓷作基体，浸渍葡萄糖溶液 后经高温碳化处理而制成。但这类匹配负载在真空 管中是一个慢性放气源，且具有微波吸收不均匀、体 积大等固有缺陷[ 2 ] 。国外在设计雷达耦合腔行波管 时，已逐步引入介质谐振损耗腔作切断匹配负载，以 克服传统结构的缺陷。因此，寻找介质谐振损耗腔 用于耦合腔行波管中切断匹配负载已成为该领域科 基金项目国防科工委基金项目赍助；江苏省高校自然科学研究计划 0 4 K J B 4 3 0 0 4 0 作者简介程卫华 1 9 8 1 一 ．男，江苏东台人，硕士． 万方数据 3 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年4 期 研人员关注的焦点。 氮化铝作为性能优异的多功能宽禁带半导体材 料，由于具有多种突出的物理性能 如高热导率、高 电阻率、低介电常数及无毒性等 ，在微电子、光电子 和S A W S u r f a c eA c o u s t i cW a v e 器件中得到广泛 应用[ 3 - - 4 ] ；S i C 是典型的高温宽带隙半导体材料，具 有高硬度 莫氏硬度达9 ．5 、耐磨损、高温蠕变小、 抗氧化性好、耐化学腐蚀、密度和热膨胀系数小等一 系列优良的性能[ 5 ] 。本文采用热压烧结工艺制备了 A I N - S i C 复相微波衰减材料，研究了该复相材料的 相组成以及S i C 含量对烧结性能和衰减性能的影 响，并初步探讨了A 1 N S i C 的微波衰减机理。 1实验 1 ．1 试样制备 实验采用的原料有A 1 N 粉末，平均颗粒尺寸 小于0 ．5 Ⅱm ；氧化钇 Y 2 0 3 ，纯度9 9 ．9 5 ％f 二氧化 钛，锐钛矿型；S i C 粉，平均粒径0 ．5 ～0 ．7 ／a m ；乙 醇，分析纯。 采用A 1 N 粉末和S i C 为原料，Y 。0 。和T i O 。为 复合烧结助剂，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4h ，然后将料烘干， 装入石墨模具中，置于热压炉中，在氮气 纯度≥ 9 9 ．9 5 ％ 气氛、3 0M P a 压力、19 0 0 ℃、保温1h 的 工艺条件下制备A 1 N - S i C 复相衰减材料。 1 ．2 试样性能测试 利用A R LX T R A 型X 射线衍射仪对试样进行 相分析；运用A r c h i m e d e 法测得试样密度，并根据 理论密度计算试样相对密度；利用J S M 一5 9 0 0 扫描 电子显微镜观察试样断面的显微结构；烧结的试样 加工成圆柱状谐振腔损耗介质，尺寸为①l O ．2m m x6 ．1m m ；采用W i l t r o n 3 6 0B 型矢量网络分析仪 测定介质谐振损耗腔的微波衰减性能。 2 结果与讨论 2 ．1 相组成分析 图l 为不同S i C 含量的复相材料的X 射线衍 射图。从图中可以看出，复相材料中新生成了 Y 3 A 1 5 0 。2 和T i C 两相。Y 3 A 1 5 0 1 2 是烧结助剂Y 2 0 3 在高温下与A l N 中的A l 。0 。反应所生成的；另外由 于试样是在涂有B N 的石墨模具中烧结，因而会渗 碳进入试样，从而与试样中的T i 结合生成T i C 。因 而，A l N S i C 复相材料由四相组成，主晶相为A l N 和S i C ，次晶相为Y 。A l 。0 。。和T i C 。 ◆一A I N ●一S ／C A n c 厶一Y s o - z 图1 不同S i C 含量的复相材料的X R D 图 F i g ．I X R Dp a t t e r n so fc o m p o s i t e sw i t h d i f f e r e n tS i Cc o n t e n t s 2 ．2 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，材料的致密性越好，真空条件 下的气密性也越好。不同S i C 含量的复相材料的相 对密度测定结果表明，当S i C 的含量在o ～7 0 ％时， 复相材料的相对密度也在9 9 ．0 ％以上，最高达到了 9 9 ．3 ％；当S i C 的含量超过7 0 ％时，复相材料的相 对密度急剧下降，如当S i C 含量8 0 ％时，相对密度 则降到了8 4 ．9 ％。这说明，一定量衰减剂S i C 的加 入不影响A l N S i C 复相材料的烧结，复相材料都可 以达到很高的致密性；当S i C 的含量达到了7 0 ％以 上，S i C 的加人将会阻碍复相材料的烧结，且随着 S i C 含量的增加，这种阻碍作用将会越来越大。 图2 为不同S i C 含量的复相材料断面的S E M 图。从图2 可以看出，当S i C 含量不超过7 0 ％时， A l N 和S i C 之间的润湿性能很好，即A l N 和S i C 之 间的相容性很好，晶粒与晶粒之间结合很紧密。只有 少量的气孔存在；当S i C 含量超过7 0 ％时，晶粒的 结合不够紧密，存在较多的气孔，且随着S i C 含量的 增加气孔越来越多。这说明，当S i C 含量不超过 7 0 ％时，S i C 的加入对复相材料的烧结不会产生影 响；当S i C 的含量超过7 0 ％时，S i C 的加入会阻碍复 相材料的烧结，且随着S i C 含量的增加这种阻碍作 用越来越明显。 2 ．3S i C 的含量对复相材料衰减性能的影响 微波衰减材料一般由基体材料与衰减剂复合而 成，其中衰减剂颗粒的含量、性能、粒度、形状及聚集 状态对材料的微波衰减性能均会产生较大的影 响[ 6 ] ，而衰减剂的含量则是决定能否获得高性能微 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年4 期 3 9 图2 不同S i C 含量的复相材料的S E M 图像 F i g ．2S E Mo fc o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tc o n t e n t so fS i C 波衰减材料的关键因素。图3 是S i C 含量2 0 ％～ 8 0 ％，19 0 0 ℃、保温1h 热压烧结制备的A l N S i C 复相材料的归一化衰减曲线。在A 1 N - S i C 复相材 料中，基体A l N 是绝缘相，S i C 是半导相，因此其衰 减机理属于电阻型损耗。通常情况下，电阻型损耗 材料的有效微波衰减频带较宽。对A l N S i C 复相 材料而言，当S i C 含量小于4 0 ％时，复相材料的电 阻率较高，导电性能较低，电阻型损耗效应较小，表 现为选频衰减特性，即仅在一个或几个离散频率上 才能达到较高的衰减，其特征是归一化衰减曲线上 有明显的衰减峰 谐振峰 ，S i C 含量为2 0 ％时，复相 材料的归一化衰减曲线呈现出明显的选频衰减特 性；当S i C 的含量在4 0 ％～7 0 ％时，复相材料的电 阻型损耗效应增大，其频谱特性趋向于宽频衰减，即 在较宽的工作频带内，归一化衰减量是一致的，衰减 曲线上下波动起伏不明显，材料呈现良好的宽频衰 减特性；当S i C 的含量大于7 0 ％时，复相材料电阻 型损耗效应增加较小，复相材料仍呈现宽频衰减特 性，但其衰减量没有明显的变化。 由以上分析讨论可知，当S i C 含量小于4 0 ％ 时，复相材料的频谱特性表现为选频衰减甘衰减量 24681 01 21 41 61 82 0 F r e q u e n c y ／G H z 图3 不同S i C 含量的复相材料的 微波衰减频谱曲线 F i g ．3 M i c r o w a v ea t t e n u a t i o nc a r v e so f c o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tS i Cc o n t e n t s 比较小；当S i C 含量在4 0 ％～7 0 ％时，复相材料的 频谱特性表现为宽频衰减，且随着S i C 含量的增加 衰减量也逐渐增加，最大衰减量达到了一2 ．3d B 左 右；当S i C 含量大于7 0 ％时，复相材料的频谱特性 表现仍为宽频衰减，但随着S i C 含量的增加衰减量 增加较小，S i C 含量从7 0 ％增加到8 0 ％时，衰减曲 线整体才向下移了0 ．1d B 左右。 5 O 5 O 5 O 5 o o 加 d 4 吨 吨 雩胃目霉lv 万方数据 4 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年4 期 2 ．4A I N - S i C 复相材料微波衰减机理的初步分析 在研制高效微波衰减材料时，介质损耗是材料 设计者关注的焦点。对A 1 N - S i C 材料而言，影响其 微波哀减性能的因素较为复杂。因此其介质损耗是 不能只按物质成分中纯化合物的性质来推测的。在 A l N S i C 复相材料烧结过程中，除了基本物理化学 过程外，还会形成A l N S i C 固溶体及玻璃相等。固 溶体的形成或多或少带来各种点阵畸变和结构缺 陷。这些微观结构的变化将对材料的微滋衰减性能 产生较大的影响。 由A l N S i C 固溶体形成机理的研究可知S i 、C 直接以原子的形式进入A l N 晶格形成A I N S i C 固 溶体。在固溶体的形成过程中，S i 、C 原子分别置换 A l 、N ，固溶进入A I N 晶格。以S i 原子置换A l 原子 为例来说明。在[ A I N ] 四面体结构中，s i 原子取代 A l 原子的位置与四个N 原子键联。由于是不等价 置换，S i 原子富余一个未成对电子，该未成对电子 以N 原子为顺磁中心，形成负的带电缺陷，由于N 原子在[ A 1 N ] 四面体结构中的位置是固定的，因此， 该未成对电子也是定域束缚的，在微波交变电场作 用下，该未成对电子产生极化作用，由于它是定域束 缚的，电子极化要越过一定的作用势垒，因此，电子 极化逐渐落后于微波电场变化，出现极化弛豫，吸收 微波能量，即极化弛豫和电导损耗一样也是A l N S i C 固溶体材料衰减微波的主要机理。 微观结构分析表明，A 1 N S i C 固溶体陶瓷是由 晶粒和晶界、气孔、杂质等各种结构缺陷形成的非均 质体系，由于主晶相与晶界相之间、不同晶界相之间 的电导率不同，因此，当微波电场作用时，必将在不 同的晶相之间产生电荷堆积，造成空间电荷极化，即 空间电荷极化也是A 1 N - S i C 固溶体材料衰减微波 的衰减机理之一。 3结论 1 在氮气气氛、3 0M P a 压力、19 0 0 ℃、保温 Ih 的条件下，成功制备了A 1 N S i C 复相材料。当 S i C 的含量在0 ～7 0 ％时，复相材料都可以达到很高 的致密性，相对密度达到了9 9 ％以上；当S i C 的含 量达到了7 0 ％以上，S i C 的加入将会阻碍复相材料 的烧结，且随着S i C 含量的增加，这种阻碍作用越来 越大； 2 A 1 N - S i C 复相材料在烧结的过程中新生成 了两相Y 。A l 。0 。。和T i C ，复相材料由四相组成，主 晶相为A I N 和S i C ，次晶相为Y 。A l 。o 。。和T i C ； 3 当S i C 含量小于4 0 ％时，复相材料的频谱 特性表现为选频衰减且衰减量比较小；当S i C 含量 在4 0 ％～7 0 ％时，复相材料的频谱特性表现为宽频 衰减，且随着S i C 含量的增加衰减量也逐渐增加，最 大衰减量达到了一2 ．3d B 左右；当S i C 含量大于 7 0 ％时，复相材料的频谱特性表现仍为宽频衰减，但 随着S i C 含量的增加衰减量增加较小。极化弛豫和 电导损耗是A 1 N S i C 复相材料主要的微波衰减机 理，同时也存在空间电荷极化损耗机理。 参考文献 1 - 1 3B i l j a n aM i k i j e l j 。D a v i dKA b e ，R o nH u tC h e o n ．A 1 N b a s e dl o s s yc e r a m i c sf o rh i g ha v e r a g ep o w e rm i c r o w a v e d e v i c e s p e r f o r m a n c e p r o p e r t yc o r r e l a t i o n l , J ] ．J o u r n a l ’o ft h eE u r o p e a nC e r a m i cS o c i e t y ，2 0 0 3 ，2 3 1 4 2 7 0 5 2 7 0 9 ． ’ 1 - 2 3 邓蘅，周彩玉，张国兴．耦合腔行波管中的切断匹配负 载的设计和测量l - J ] ．电子学报，1 9 9 7 ，2 5 6 1 1 4 1 1 6 ． [ 3 ] T u m m a l aRR ． C e r a m i ca n dg l a s s c e r a m i cp a c k a g 一 i n gi nt h e1 9 0 0 s [ J ] ．J ．A m ．C e r a r r LS o c ．，1 9 9 1 ，7 4 5 8 9 5 ． [ 4 3W a t a r iK ，I s h i a k iK ，T s u c h i y aF ．P h o n o ns c a t t e r i n g a n dt h e r m a lc o n d u c t i o nm e c h a n i s m so fs i n t e r e da l u m i R u mn i t r i d ec e r a m i c s [ J ] ．J ．M a t e r ．S c i ．t1 9 9 3 ，2 8 3 7 0 9 ． [ 5 ] 李恒德，肖纪美．材料表面与界面[ M ] ．北京清华大学 出版社，1 9 9 0 1 0 5 ． [ 6 3 步文博．氮化铝基复相材料的制备及其微波衰减性能 的研究[ D ] ．南京南京工业大学。2 0 0 2 1 5 4 1 5 5 ． 万方数据