论文总字数：22101字

摘 要

微波电真空器件是雷达与微波领域的重要设备。它在频率、射频功率、带宽和效率等方面具有独特的优势。所以，目前在军事设备、航空航天、侦察设备等方面有着进一步发展的空间。基于对更加优异的微波电真空器件需求，微波衰减材料必须向着高温、高频的使用方向发展。

本文综述了微波衰减材料的基本信息，以及氮化铝基微波衰减材料的分类、制备、应用、研究背景。制定了热压制备氮化铝/球形碳复相衰减材料的工艺路线。通过测试与表征的手段，得到不同的烧结压力和衰减剂含量对制备的材料的力学性能、热学性能、电学性能、烧结性能等性能的影响。

当氮化铝/球形石墨复相材料的烧结温度为1900℃，氧化钇含量为4wt%，球形石墨含量为7wt%时，试样在25Mpa的烧结压力下就具有了良好的烧结性能与力学性能，且显微形貌未被破坏。

随着球形石墨含量的增加，试样的体积密度和抗弯强度均逐渐减小，断裂韧性先升高后减小。在2-12wt%球形石墨含量的不同复相材料中热导率最高为2wt%含量时的100W·m^-1·k^-1，最低为10wt%时的77W·m^-1·k^-1。

随着玻璃碳含量的增加，试样的体积密度同样随之减小，断裂韧性和抗弯强度都呈现出先升高后减小的趋势。当材料玻璃碳含量为2wt%时热导率最高为93W·m^-1·k^-1，随后逐渐下降直至玻璃碳含量为12wt%时最低，为63W·m^-1·k^-1。

关键词：微波衰减材料 AlN 玻璃碳 球形石墨 热压烧结

Preparation and properties of aluminum nitride/spherical carbon composite attenuation materials

Abstract

Microwave vacuum device is an important equipment in radar and microwave field. It has unique advantages in frequency, rf power, bandwidth and efficiency. Therefore, there is room for further development in military equipment, aerospace and reconnaissance equipment. Based on the demand for more excellent microwave vacuum devices, microwave attenuated materials must be used in high temperature and high frequency.

In this paper, the basic information of microwave attenuating materials and the classification, preparation, application and research background of aluminum nitride-based microwave attenuating materials are reviewed. The process route of preparing aluminum nitride/spherical carbon complex phase attenuating materials by hot pressing was developed. By means of testing and characterization, the influences of sintering pressure and attenuator content on the mechanical properties, thermal properties, electrical properties and sintering properties of the prepared materials were obtained.

When aluminum nitride/spherical graphite phase sintering temperature is 1900 ℃, yttrium oxide content is 4wt%, 7wt% for spherical graphite content, the sample has good sintering and mechanical properties at a sintering pressure of 25 MPa. In addition, the microstructure of the material remains intact.

With the increase of spherical graphite content, the bulk density and flexural strength of the sample gradually decrease, and the fracture toughness first increases and then decreases. In the different composite materials of 2-12wt% spherical graphite content, the thermal conductivity is 100W·m^-1·k^-1 when the content is up to 2wt%, and the lowest is 77W·m^-1·k^-1 when it is 10wt%.

With the increase of the glass carbon content, the bulk density of the sample also decreases, and the fracture toughness and flexural strength show a trend of increasing first and then decreasing. When the carbon content of glass is 2wt%, the highest thermal conductivity is 93W·m^-1·k^-1, and then gradually decreases to the lowest when the carbon content of glass is 12wt%, which is 63W·m^-1·k^-1.

Key Words: Microwave attenuating material; AlN; Glassy carbon; Spherical graphite; Hot pressed sintering

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 微波衰减材料 1

1.2.1 简介 1

1.2.2 微波衰减材料分类 1

1.2.3 微波衰减材料的性能参数 2

1.3 氮化铝复相材料特性及制备 3

1.3.1 AlN的特性 3

1.3.2 AlN基微波衰减材料的研究进展 3

1.3.2 AlN基微波衰减材料的烧结方法 4

1.3.3 玻璃碳(GC)的基本性质 6

1.3.4 球形石墨(SG)的基本性质 6

1.4 本课题的研究目的和内容 6

第二章 实验 8

2.1实验原料 8

2.2实验仪器及设备 8

2.3 实验过程 9

2.3.1 AlN-SG的制备 9

2.3.2 AlN-GC的制备 9

2.4材料的表征与测试 10

2.4.1 烧结性能测试 10

2.4.2 物相组成分析 10

2.4.3 显微结构分析 10

2.4.4 导热性能测试 10

2.4.5 介电性能测试 10

2.4.6 力学性能测试 10

2.4.7 电导率测定 11

2.4.8 微波衰减性能计算 11

第三章 结果与讨论 12

3.1 烧结压力对球形石墨结构与性能的影响 12

3.1.1烧结性能 12

3.1.2力学性能 12

3.1.3显微结构与成分分析 13

3.2 SG含量对AlN-SG结构和性能的影响 13

3.2.1相组成 13

3.2.2 烧结性能 14

3.2.3显微结构 16

3.2.4力学性能 16

3.2.5导热性能 17

3.2.6导电性能 17

3.3 GC含量对AlN-GC结构和性能的影响 18

3.3.1 相组成 18

3.3.2烧结性能 19

3.3.3显微结构 19

3.3.4力学性能 21

3.3.5导热性能 21

3.3.6导电性能 22

3.3.7介电性能 23

3.3.8微波吸收性能 23

第四章 结论 25

参考文献 26

致谢 28

第一章 绪论

1.1 引言

微波衰减材料是一种应用于雷达与微波领域的重要的功能性材料，随着军备竞争的迅速发展，其在军事设备、航空航天、侦察设备等方面需要进一步发展的空间^[1]。目前，微波衰减材料主要应用于微波管、行波管等微波电真空器件，并且它是许多微波电真空器件中难以替代的重要组成部分^[2]。如应用于大功率场合的行波管通常采用耦合腔慢波结构，它是一种有效的解决行波管获得大功率输出难题的途径，但由于其耦合腔慢波结构的固有特点，很容易产生自激震荡，为了消除或者减轻这种有危害的影响，就必须在慢波线通过的区域安置衰减材料来抑制反射，吸收非设计模式电磁波，以避免在高功能使用状态下产生震荡^[3] 。为了适应现有应用需求以及发展更高性能的微波真空器件，探索和制备性能优异（高强度、高导热、高稳定性、大衰减量等）的微波衰减材料具有十分重要的现实意义。

1.2 微波衰减材料

1.2.1 简介

微波衰减材料在微波电真空器件中具有十分重要的作用，主要起到到抑制振荡、展宽频带、消除非设计模式的作用。比如在耦合腔TWT中内置微波衰减材料作为集中体衰减器或损耗纽扣，以切断反馈途径，提高工作的稳定性^[4]。

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