W 波段用BeO-TiO2 衰减瓷研究

王松林

（五矿铍业股份有限公司，湖南 长沙 410100）

微波衰减材料是微波管中重要的功能材料，它在微波管中的作用是信号的全吸收、降低反射和有选择地抑制各种模式的杂波［1］。真空电子器件的发展趋势是大功率、小型化，因此解决散热问题成为关键技术之一。如果使用的衰减材料导热性能较差，不能及时将热能传导出去，就会导致管子局部温度升高，材料的电阻率下降，微波特性也会发生变化，影响微波管的正常工作，因此需要选择热导率较高的衰减材料。

W 波段（75～110 GHz）作为更高频毫米波，可支持更大的带宽和更高的传输速率。目前国内科研院所正在开展毫米波、太赫兹微波管的研制，需要开发高频衰减材料来配套使用。BeO陶瓷具有优良的导热性能，可与多种介质材料组成复合材料。

本文研究将TiO2分散到BeO介质中，在还原气氛中烧结使二氧化钛半导化形成BeO-TiO2复合材料，并测试这种衰减材料的密度和导热性能及在W波段的介电性能。

1 试样制备和试验方法

1.1 试样制备

采用五矿铍业股份有限公司提供的高纯氧化铍粉末（纯度大于99.5%），原晶直径为0.3～0.5μm，原晶细小的氧化铍粉有较好的填充性能和烧结活性，其扫描电镜的微观形貌如图1所示。TiO2粉为分析纯，纯度99%以上。TiO2通常有三种变体即金红石、锐钛矿和极钛矿。其中金红石是稳定相，且介电常数在三种变体中是最大的。

图1 高纯氧化铍粉体颗粒形貌

1.2 试验方法

根据衰减瓷需要的微波参数设计了两个配方，BeO、TiO2质量分数分别为70%～78%、22%～30%，另外添加主份A、B，进行对比试验，其配方见表1。

表1 试验配方成分 %

BeO-TiO2衰减瓷的制造过程为：TiO2预处理→配料→球磨→配浆料→喷雾造粒→成型→烧结→加工→清洗→还原处理→测试。

先将TiO2粉进行锻烧处理，煅烧温度为1 200～1 250℃，保温1～2 h，促使其晶形转变。将BeO和TiO2粉按比例进行称量，为确保混合均匀，采用循环搅拌球磨，再进行喷雾造粒。干压再等静压的工艺成型，成型坯件在还原气氛炉中进行烧结，烧结温度1 500～1 550℃、保温1～2 h，便可制备出黑色的BeO-TiO2衰减瓷。辅料A作为烧结助剂添加，可降低烧结温度，提高坯体密度。添加的辅料B对降低衰减材料的介电常数有一定作用。

2 试验结果与讨论

2.1 材料的密度和导热性能

根据阿基米德原理，采用排水法对BeO-TiO2衰减瓷的体积密度进行测试。利用扫描电镜 观察试样表面的显微结构，烧结的BeO-TiO2复合材料微观形貌如图2所示。

图2 BeO-TiO2复合材料（5 000×）微观形貌

采用闪射法导热仪测试BeO-TiO2衰减瓷的热导率，测试数据见表2。

表2 BeO-TiO2衰减瓷的物理特性

随着TiO2添加量的提高体积密度增大，由于氧化铍含量降低，热导率逐渐下降。由于引入TiO2使得陶瓷形成了较多气孔，会降低陶瓷的机械性能和热导率。

2.2 材料的介电性能

微波衰减材料的电磁参数是材料的重要性能参数，可通过测量表面电阻的方法来间接检验衰减材料的适用性，然而表面电阻并不能完全反映材料与电磁场之间的作用［2］。

微波衰减材料的测试方法包括探针法、腔体谐振法、同轴／波导传输／反射法、空间法等。氧化铍衰减瓷通常采用波导传输法，但此方法适用的微波频段为2～40 GHz。目前，国内对于衰减材料的性能测试大部分都是厘米波段，在毫米波段的测试研究还很少。试验分别采用了矩形波导传输反射法和自由空间传输反射法，测试W 波段的BeO-TiO2衰减瓷复介电常数和损耗角正切。在实际测试中，矩形波导传输反射法测试的稳定性不好，重复性较差。北京真空电子技术研究所开展了自由空间传输反射法测试的研究，测试比较稳定，测试结果如图3所示。

图3 BeO-TiO2衰减瓷介电性能

由图3可见，随着频率的增大，BeO-TiO2衰减瓷的介电常数呈下降趋势，而损耗角正切值也逐渐减小。1＃和2＃两种配方的衰减材料制备的产品通过装管测试均能满足W 波段某微波管的使用要求。BeO-TiO2衰减瓷的衰减机理是在高温条件下，TiO2在氢气气氛中会发生缺陷反应，反应式如下：

从而导致晶格失氧，出现氧空位，部分Ti4+变为Ti3+，产生弱束缚电子（Ti4+.e）。在电场作用下它可以从一个Ti4+转移到另一个Ti4+从而形成了电子导电，在高频电磁场中形成导电损耗［3］。TiO2的添加量增加，其在还原反应时氧离子空位浓度增加，能提高导电损耗。但同时氧化铍含量减少也会导致陶瓷的机械性能、导热性能等下降。在实际生产中，需要合理选择TiO2的添加量。

将加工后的BeO-TiO2衰减瓷样品在氢气炉中1 200℃进行还原处理，其电性能会发生一定变化，经过处理后的衰减瓷介电性能更加稳定。

2.3 衰减瓷的应用

BeO-TiO2衰减瓷具有很多优点：气孔率较低，在高真空环境使用，不会放出大量的气体，可以金属化与金属零件进行焊接，能经受严格的振动而不损坏，高温下未发现有再收缩。此外，由于主成分都是非磁性的，不会对磁控管中的磁场分布带来不利的影响。可见BeO-TiO2衰减瓷是一种能有效吸收电磁波使其衰减并能获得较高增益的特殊功能材料，能有效地将电磁波转化为热能散发出去，可广泛运用于行波管、速调管、回旋管、磁控管等微波电真空器件，是微波管中不可缺少的关键材料，有着良好的应用前景。

3 结 论

1.采用BeO和TiO2为原料，添加少量助剂，在氢气气氛下烧结可以制备出BeO-TiO2复合衰减材料，热导率可达到140 W／m·K以上。经测试和装管试用，在W 波段的复介电常数和损耗角正切可满足微波管的使用要求。

2.结构致密的BeO-TiO2衰减瓷具有热导率高，比金属陶瓷和渗碳多孔瓷放气量小衰减量大且使用频率范围宽等优点，易于烧结、加工和金属化焊接，工艺适应性强，便于批量化生产。

3.BeO-TiO2衰减瓷是一种特殊的功能材料，其性能对组分和生产条件的变化十分敏感，因而导致该种材料稳定性和一致性都比较难于控制，在制作中需要严格控制各种工艺条件。