高功率微波窗口材料的研究进展

张 茜，董桂霞，李媛媛，刘秋香，董 丽

(河北联合大学材料科学与工程学院，河北省无机非金属材料重点实验室，河北 唐山 063009)

高功率微波窗口材料的研究进展

张 茜，董桂霞，李媛媛，刘秋香，董 丽

(河北联合大学材料科学与工程学院，河北省无机非金属材料重点实验室，河北 唐山 063009)

综述了高功率微波窗口材料的发展及应用现状，比较分析了几种常用的高功率微波窗口材料的特性，叙述了这几种窗口材料的制备方法，指出了在制备过程中遇到的一些问题，并提出了改进的方法。并且为了满足高功率微波窗口材料的需求对新型介质窗材料进行了探索。最后展望了微波窗口材料的研究和发展趋势。

窗口材料；微波；高功率

0 引 言

随着高功率微波(HPM)技术的发展，HPM器件的输出功率已经达到GW量级，并且还在不断的提高。微波窗口是用来隔开大气坏境和HPM器件腔内的高真空环境的关键构件，目前介质窗的击穿问题已经成为HPM装置进一步发展的技术瓶颈[1]。在较高的功率下，热应力、热冲击以及局部的热击穿等作用都会导致介质窗的破坏[2]。因此，我们要提高对介质窗材料特性的要求以适应于高功率的微波源。

一般来说，HPM介质窗材料应满足以下几个基本性能：(1)较小的介电常数和介电损耗；(2)较高的击穿强度；(3)稳定的介电性能；(4)较高的热导率；(5)高热抗震性；(6)较好的力学性能；(7)易封接；(8)耐温耐腐蚀性能强。因此，在选择HPM介质窗材料时应依据的基本性能参数包括介电常数，介电损耗，次级电子产生率，介电强度，热导率系数等。另外，介质表面积累的电荷也会对窗口的耐击穿性能和使用寿命产生一定的影响，也应予以高度重视。

本文综述了几种常用HPM介质窗材料的研究及应用现状，分别介绍了各种窗口材料的特性，并比较分析了它们各自的优势和不足，最后展望了HPM介质窗材料的发展趋势。

1 几种常用HPM介质窗材料

在HPM介质窗的研究中，目前可用作介质窗的材料主要有氧化铝(Al2O3)，蓝宝石，氮化铝(AlN)，氧化铍(BeO)，氮化硼(BN)，金刚石等。下面主要介绍这几种常用HPM介质窗口材料的研究及应用现状。

1.1 氧化铝(Al2O3)

Al2O3陶瓷不仅具有较低的介电常数和介电损耗，而且还具有优异的力学性能，较高的击穿强度和耐腐蚀性能，并且Al2O3陶瓷的二次电子发射系数较低，因而Al2O3陶瓷是微波介质陶瓷研究的热点之一[3-7]。目前，国内大量使用的HPM窗口材料是Al2O3陶瓷，国外使用较多的是99.5%-99.9%的高纯Al2O3陶瓷或蓝宝石。Al2O3陶瓷介电性能的影响因素主要包括纯度和显微结构[6]，另外，外界因素(温度、湿度等)也会对Al2O3陶瓷的微波介电性能产生一定的影响[8-9]。长期以来，人们主要针对Al2O3陶瓷的显微结构(细、密、匀、纯)进行研究，来提高其机械性能和介电性能。现十二所已经制备出Al2O3含量达99.7%以上，晶粒度为3-5μm，导热率为30 W/m·K，介电损耗为6.6×10-5(10GHz)的高纯Al2O3陶瓷材料[10]。表1列出了十二所研制出的不同纯度下的高纯、细晶Al2O3陶瓷的各种性能，可知高纯、细晶Al2O3陶瓷具有很好的介电性能，其必将在HPM窗口中得到广泛的应用。

今后，在制备Al2O3陶瓷这一方面，还需要通过进一步提高粉体的纯度和控制粒径大小以及粒径均匀性来制备出显微结构细、密、匀、纯，性能优良的Al2O3陶瓷。

另外还有一种俗称蓝宝石的单晶Al2O3材料，其介电常数和介质损耗小，熔点高，绝缘性好，使用温度比较高，但是由于蓝宝石的微波透过功率较小并且其具有显著的荧光发射性[11]，力学性能及可加工性也较差而且由于蓝宝石表面的电荷积累比其它Al2O3陶瓷[12]高，所以作为HPM介质窗蓝宝石的耐用性比Al2O3陶瓷差。

1.2 氮化铝(AlN)

AlN陶瓷的理论导热率值为320W/(m·K)，其与BeO陶瓷的理论导热率值370W/(m·K)相近。现国内AlN陶瓷的导热率已经达到250W/(m·K)。除此之外，AlN陶瓷还具有以下优点：(1)介电常数、介电损耗小；(2)热膨胀系数与硅相近；(3) AlN的二次电子发射系数相对于Al2O3和蓝宝石是最低的；(4)电绝缘性能好；(5)机械性能好，抗弯强度与Al2O3陶瓷相当；(6)成本较低；(7)无毒性。因此，AlN陶瓷成为常用制作HPM窗口的材料之一。对于AlN陶瓷的制备，因为AlN是共价化合物，很难烧结致密，所以实际得到的产品很难达到其理论强度和热导率。一般AlN陶瓷的制备常采用常压烧结法和热压烧结法这两种烧结方法。另外，为了使其烧结致密，一般引入一定量的助烧结剂，助烧结剂还可以与AlN中的氧杂质反应，使晶格完整化，进而可以提高热导率。李发等[13]以Y2O3-CaO作为复合助剂，在N2这一气氛下，在1800-1900 ℃温度范围内利用热压烧结法，成功的制备出了热导率在170-200 W·m-1·K-1的AlN陶瓷窗口，并且其漏气速率等于或小于1×10-10Pa·m3/s，封接强度大于或等于78.40 MPa。近些年来，许多研究人员不断地尝试着在AlN陶瓷的制备过程中引入一些先进的陶瓷烧结工艺。卢斌等[14]采用高纯的微米级AlN粉，采用微波烧结工艺，在不添加任何烧结助剂的情况下，经过一定时间的保温实现了AlN陶瓷的低温(1700 ℃)快速烧结。烧结出密度达到99.7%的样品。由此可见，利用微波烧结实现了低温快速烧结，并且可以获得致密度较高的AlN陶瓷，而且晶粒尺寸细小(＜10 μm)，晶粒结构均匀，晶界中无第二相，为制备高热导率的AlN陶瓷提供了新的研究方向。随着新烧结工艺的不断发展，在不久的将来，AlN陶瓷的制备问题将得到有效地解决。

表1 不同氧化铝陶瓷的性能比较Tab.1 The performance comparison of different Al2O3ceramics

1.3 氧化铍(BeO)

BeO陶瓷是目前所有的实用陶瓷材料中热导率最高的陶瓷材料，是致密Al2O3陶瓷的6-7倍 。纯度为99%以上，致密度达99%以上的BeO陶瓷，其室温下的热导率可达310W/(m·K)。另外，在微波频率下BeO陶瓷的介电常数和介电损耗都比较小。而且，BeO陶瓷具有较好的机械性能、高的化学和热稳定性、高绝缘性以及良好的工艺适应性等特点，所以，BeO陶瓷应用很广泛。BeO陶瓷广泛用于HPM窗口，其低的介电常数和介电损耗可以获得良好的宽频匹配性能，同时也可以减少功率损失。并且高的导热率有利于将大功率器件中所产生的热量快速地传导出去。因此，能够保证器件的可靠性和稳定性。与Al2O3窗相比较，BeO陶瓷能够承受更大的输出功率。比如：BeO窗能够承受263kW的输出功率而不被破坏，而Al2O3窗在100kW的输出功率下就会发生破裂。但是，BeO陶瓷高温导热性能比较差，且气密性差。并且，BeO价格昂贵，是一种毒性非常大的物质，其在制造过程和使用中不仅会对人员安全产生危害而且还会造成坏境的污染。目前已被列为致癌物质，并且许多国家和组织已经限制了对BeO材料的使用[15]。但是经过实践证明，只要采取完善的防护和处理措施，BeO的毒性所产生的危害是完全可以避免的。

1.4 氮化硼(BN)

氮化硼(BN)是一种特别重要的非氧化物陶瓷材料，常见的有类似石墨的六方晶型(h-BN)、类似无定形碳的无定形态以及类似金刚石的立方晶型(c-BN)[16]。h-BN[17]是六方晶系层状结构，是典型的各向异性材料，在平行于沉积面这一方向上和垂直于沉积面这一方向上材料的力学性能、电以及热都有明显的区别，平行于沉积面方向上有较高的抗弯强度(44MPa)、低的热膨胀系数(0-2.6×10-4/℃)、较高的热导率(60W·m-1·K-1)；垂直于沉积面方向上有高的抗压强度、较低的介电常数(3-5)和介电损耗(1-1.4×10-4)以及较低的热导率等。并且该材料有较高的稳定性和高温绝缘性，所以，它被广泛应用于HPM窗口的制备。

目前，BN的制备方法包括化学气相沉积法(CVD)和热压烧结法两种。化学气相沉积h-BN(CVDBN)是一种纯度很高的陶瓷材料，它可以由BCl3(或BF3)+NH3yBN+3HCl气相反应生成BN[17]，BN沉积到石墨或者其它的耐高温基体上产生的。CVDBN陶瓷有良好的介电性能和热稳定性，另外，CVDBN陶瓷作为微波介质窗还有一个优势：二次电子发射系数较低(118-215)，能够有效地减少击穿现象。并且CVDBN陶瓷的纯度很高，可以达到99.99%，晶粒细小，在陶瓷体内几乎观察不到有任何空洞的存在。它还具有化学稳定性和优异的抗热震性，这有利于HPM窗承受较大的热冲击。但是国内生产的CVDBN陶瓷的微观结构的均匀性和致密性都不如俄罗斯生产的CVDBN好，而材料的导热性能和介电性能会因为结构的不均匀而受到严重的影响，所以，CVDBN还需要进一步的改善。热压烧结h-BN陶瓷也具有良好的介电性能，但是热压烧结的h-BN陶瓷很难烧结致密，这是因为h-BN熔点高达2967 ℃，所以需要掺入一定量的烧结助剂。掺入烧结助剂的热压h-BN陶瓷晶粒呈针柱状交织排列并且有一定量的玻璃相，可见也难以达到真空气密，而且热导率也不如CVDBN陶瓷。近些年来，经过研究发现，纳米h-BN在1250 ℃就已经开始熔化，并且可以烧结致密，但是力学性能难以达到HPM窗口的要求，人们通过在纳米h-BN加入第二相如AlN来达到力学要求。

1.5 金刚石

金刚石有优异的力学性能：它的硬度是所有物质中最高的，可以达到10000 kg/mm2，并且金刚石的热导率在所有物质中也是最高的。除此之外，金刚石还具有优异的电学性能：低的介电常数和介电损耗，是理想的微波介质窗材料。正是因为金刚石具有如此多的优异性质和十分广阔的应用前景，所以金刚石受到了人们的极大重视。但是因为天然金刚石的价格昂贵、储量又十分少，而且在50年代利用高温高压法制备的金刚石是粉末状的，粉末状的金刚石生长成大颗粒的金刚石需要比较高的成本，因此限制了金刚石的应用。近些年来，金刚石的制备已经取得了很大的进展。利用化学气相沉积(CVD)法，能够制备出各种尺寸和形状的金刚石膜(CVD金刚石)。因此，扩展了金刚石的应用领域，并且CVD金刚石还具有非常低的微波吸收能力。但是，CVD金刚石从整体上还没有达到HPM窗口的要求。随着金刚石制备工艺的进一步发展，产生了一种比较成熟的制备金刚石的方法：微波等离子体CVD(MPCVD)[18]。利用这种方法可以大面积、均匀的沉积金刚石膜，并且沉积温度稳定的变化，有效地防止了因热冲击引起的金刚石膜从基底上的脱落。目前，MPCVD是制备大面积、高质量金刚石膜最好的方法。表2列出了几种常用的介质窗材料的性能参数。

2 新型介质窗材料的探索

目前，介质窗表面的击穿现象已经成为了HPM装置进一步发展的主要瓶颈[1]。我们必须在现有的微波介质窗材料的基础上进一步改进或者研发新型介质窗材料来大幅度的提高微波介质窗的击穿阈值，使介质窗得到更广泛的应用。目前最常用于制作HPM窗口的为陶瓷材料，而陶瓷材料的一些性能又主要取决于其制备方法。利用新型的制备方法，如微波烧结法，能够使材料获得更好的热学、介电、机械等性能，有利于提高其微波击穿阈值[1]。

另外，一些其他特殊领域的绝缘材料，例如飞机前端雷达罩[19]，也可以尝试着应用于微波介质窗这一方面。

表2 几种常用材料的性能参数Tab.2 The performance parameters of several commonly used materials

3 总结与展望

上述几种常用的窗口材料各有自己的优势和不足，Al2O3陶瓷的介电常数和介电损耗比较小，力学强度大，二次电子发射系数较小，并且承受的HPM比较高。AlN陶瓷的二次电子发射系数最低，但是AlN陶瓷的介电损耗高，所以AlN陶瓷的抗击穿性能不如Al2O3陶瓷，且其制备难度较大，焊接性能也不如Al2O3。蓝宝石介电损耗很小，使用温度高，但是因为蓝宝石表面沉积电荷高于Al2O3陶瓷[12]所以蓝宝石的耐用性比Al2O3陶瓷差。综合考虑材料性能，Al2O3陶瓷最适用于HPM介质窗口的制备。对于HPM介质窗，当前研究的主要问题是介质窗的击穿问题，目前，虽然尚未得到能完全满足GW量级高功率稳态输出的材料体系，但是，我们相信，随着HPM介质窗材料性能的不断改善和新型介质窗材料的开发应用，HPM介质窗的击穿问题将得到有效地解决。

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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。

国家国际科技合作计划项目(编号：SQS2014RR047)资助。

董桂霞，女，博士，高级工程师。

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

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

E-mail:dgxdgx01@163.com