[發明專利]一種氮化鋁基吸波陶瓷的制備方法

無效

• 申請號: 200910092151.3
• 申請日: 2009-09-01
• 公開（公告）號: CN101643353A
• 公開（公告）日: 2010-02-10
• 發明（設計）人: 李永利;梁海龍;張久興
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C04B35/582
• 分類號: C04B35/582;C04B35/622;C04B35/64
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 沈 波

技術領域

本發明屬于無機非金屬材料領域，具體涉及一種氮化鋁基吸波陶瓷的制備方法。

背景技術

大功率微波電子管，如行波管、調速管、磁控管、回旋管等，是軍事技術和民用微波通訊領域的重要電子器件。吸波材料則是控制微波管輸出參數的關鍵材料，能夠提供匹配的電磁終端、抑制微波管內自激震蕩、消除非設計模式的電磁波，展寬工作頻帶等。

為了確保微波管在設計參數下穩定地工作，要求吸波材料的性能必須滿足以下兩個條件：一，在特定波段內滿足一定的電磁參數，具有穩定的微波吸收性能；二，具備高的熱導率，使吸波材料在吸收微波后將熱量迅速傳導出去。陶瓷基復合材料是國內外研制吸波材料的主要方向。利用材料復合的基本規律，采用高熱導率的陶瓷材料作為介質基體，與具有高的電損耗或磁損耗的材料經一定工藝復合而成，發揮不同組元的性能優勢，以達到兼顧優異的吸波性能和熱傳導性能的目的，同時保持出色的高溫機械性能和化學穩定性。由于磁損耗機制在高溫下性能產生劣化，目前的高損耗組元主要以由損耗機制的材料構成，包括W、Mo、碳的各種同質異構體如石墨、炭黑、碳纖維、碳納米管(CNT)等，以及某些半導體材料如SiC、Si-C-N、TiO₂、TiC、TiN、TiB₂等。高導熱組元主要是BeO和AlN。BeO基吸波陶瓷是率先被開發并在大功率微波管中廣泛使用的吸波材料。BeO能與多種高損耗組元穩定共存，因此在特定波段能提供良好的吸波性能并保持高的熱導率，如已在微波管中使用的BeO-SiC陶瓷的熱導率為130W/m·K，X波段(8～12GHz)的損耗角正切值達到0.25。然而，BeO本身有劇毒，在整個材料生命周期中對人體及環境均會產生較大危害。隨著各國對環境問題日益關注，BeO陶瓷的生產和使用受到了極大的限制。與此同時，BeO的替代材料的研制開發則成為該領域的熱點。

可提供高熱導率的另一種組元是氮化鋁(AlN)。AlN的理論熱導率為320W/m·K，目前已能夠制備出熱導率接近300W/m·K的AlN陶瓷，作為散熱基片的AlN陶瓷產品也能達到150～260W/m·K。以AlN為基體的復相衰減陶瓷，具有適中的介電常數，在高真空環境下放氣量小，與氧化物陰極有長期的兼容性，在1000℃以上的高溫下熱穩定性和機械性能強，并且與無氧銅可形成氣密封接，特別是AlN化學性質穩定、環境友好的優點，使其成為替代BeO的最佳候選材料。美國Maryland大學、海軍研究室、Ceradyne公司等機構較早地開展了AlN基吸波材料的研究。開發出以AlN為基體，以過渡金屬的碳化物、氮化物或硼化物作為介電損耗組元的復相吸波陶瓷。材料的熱導率達到95～105W/m·K，而且介電性能與BeO-SiC十分相似，8～10GHz間損耗角正切值達到0.4～0.45，在X波段基本可以取代BeO-SiC材料。

然而，由于AlN陶瓷的熱導率對雜質極為敏感，而大部分高損耗組元與AlN的高溫化學相容性不佳。在引入高損耗組元燒結后，AlN晶格缺陷增加，晶粒接觸面積減少，導致材料的熱傳導性能損失過大。如AlN-SiC吸波陶瓷的熱導率僅能達到60W/m·K左右，比相應的BeO-SiC降低一半以上。因此，對于既能與AlN穩定共存又能產生高損耗的組元的遴選受到很大限制；另一方面，雖然Ceradyne公司已研制出替代BeO的AlN基高導熱吸波陶瓷，但該產品僅能在X波段達到與BeO-SiC相當的性能。而在該波段以外，材料的損耗角正切值較小，無法滿足微波管對吸波性能的要求。隨著微波管工作頻率朝著不斷提高的方向發展，在高于X波段的其它波段，如K波段(12～40GHz)，AlN基吸波陶瓷仍無法替代相應的BeO基陶瓷。因此，尋求特定波段下合適的高損耗組元，或者改善高損耗組元與AlN基體間的化學相容性，以提高材料的綜合性能，依然是AlN基吸波陶瓷研制的難點。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術中的問題，提供一種在Ka波段(26.5～40GHz)兼備高導熱和高損耗的AlN基吸波陶瓷的制備方法。

本發明所提供的方法是以碳納米管(CNT)作為高損耗組元，引入到AlN基體中，采用放電等離子燒結制備出綜合性能優異的AlN-CNT吸波陶瓷，具體步驟如下：

1)將CNT加入到體積比為3∶1的硫酸和硝酸的混酸溶液中，在室溫下超聲處理5小時，過濾并用去離子水洗滌至中性，干燥；

2)將步驟1)中干燥后的CNT溶入無水乙醇中，加入占CNT重量1％的聚乙烯吡咯烷酮，超聲處理形成穩定的CNT懸濁液；