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陶瓷在电性能、机械强度、耐高温和耐辐射等方面均优于玻璃,因而一些要求高和在恶劣环境下使用的真空电子器件往往采用陶瓷-金属封接结构。真空电子器件用陶瓷主要是硅酸盐系、氧化物系和氮化物系陶瓷。
瓷硅酸盐系陶瓷主要包含滑石瓷、镁橄榄石瓷和莫来石瓷等。硅酸盐瓷的特点是介质损耗小、强度低。镁橄榄石瓷应用较多,多用作小型器件的结构材料。
氧化物瓷主要指以单一氧化物晶相为主,并含有少量玻璃相或其他晶相的陶瓷,以氧化铝瓷和氧化铍瓷应用较广。95%氧化铝瓷的综合性能好,因而在真空电子器件中用得最多,可用作微波管的输能窗、管壳、光电器件的绝缘零件、集成电路的基片等。99%氧化铍瓷的热导率接近于铝而电性能又好,是一种极好的高导热绝缘材料。常用作行波管螺旋线夹持杆,激光器件管壳和微波大功率管输能窗。但由于氧化铍粉有毒性,在生产和使用时应有安全防护措施。氮化物瓷中有实用价值的是氮化硼瓷,其特点是易于加工,介质损耗小,介电常数小。在高于530摄氏度时,其热导率比氧化铍瓷大,是一种无毒性高导热绝缘材料,常用作行波管螺旋线夹持杆和降压收集极绝缘瓷环等。
衰减陶瓷用于微波电子管内部,是一种起体积衰减作用的高阻材料,可用于返波管中作终端负载、同轴磁控管中作抑制寄生模式的瓷环、耦合腔行波管中作集中衰减器。最常用的是金属钨衰减陶瓷、二氧化钛衰减陶瓷和碳化硅衰减陶瓷 。
按热膨胀系数可分为下列几类:石英玻璃、高硅氧玻璃、钨组玻璃、钼组玻璃、铂组玻璃和钢组玻璃。焊料玻璃的热膨胀系数介于被封接的两种材料之间。按玻璃组成又可分为钠钙硅系、铅硅酸盐系、硼硅酸盐系和铝硅酸盐系等,但以硼硅酸盐系为主。
石英玻璃有极好的电性能和热性能,常用于高真空和高热负荷下工作的真空电子器件。钨组、钼组、铂组和钢组玻璃都是常用的封接玻璃,它们对高频电场的介质损耗较小,可与相应的金属封接成气密和高强度的真空电子器件用部件。
焊料玻璃大致可分为易熔和难熔两类。由于某些显像管和光电器件等对封接的特殊需要,一般采用封接温度在500摄氏度以下的易熔焊料玻璃。对于封口要承受较高温度的其他真空电子器件,则采用封接温度在500摄氏度以上的难熔焊料玻璃。
微晶玻璃是由微晶体和玻璃相组成的特种材料。它具有密度小、软化温度高和电性能好等特点,常用作输能窗和玻璃焊料。低熔点玻璃与云母粉复合并热压成型,可制成电绝缘性能优良的云母玻璃,也叫云母陶瓷,特点是可进行机械加工。显像管玻璃可分黑白和彩色显像管玻璃。黑白显像管颈管均采用高铅 (30%PbO)玻璃,而屏和锥多采用钡锂玻璃。由于彩色显像管工作电压高(约25千伏)和各部位泄漏X射线的强度不同,因此通常其颈管用高铅玻璃,锥体用中铅玻璃,屏采用低铅或无铅玻璃。
真空电子器件用晶体材料有云母、白宝石和金刚石。云母具有介质损耗小、绝缘电阻高和击穿电压高等特点,是用作真空电子器件输能窗和电极固定零件的优良绝缘材料。
白宝石为刅-Al2O3单晶,能耐高电压,耐电子轰击,次级电子发射系数非常小,是制作大功率输能窗的良好材料,用提拉法可制成纯度高(含Al2O399.99%)、位错少(位错密度小于103/厘米2)的杆、管和其他异形制品,可作为行波管螺旋线夹持杆、微波和红外输能窗以及高压钠灯用的电弧管等。金刚石是自然界中硬度最高、导热最好和电绝缘性能优良的矿物介质材料。真空电子器件主要采用Ⅱa型金刚石,这是一种含氮量少 (小于0.001%)的金刚石,它的声子散射小、热导率高。在真空电子器件中可作支撑块、散热器和输能窗等。天然金刚石体积都很小,加工困难,所以也常采用人造金刚石及其聚晶材料。
随着光电器件的发展,窗口材料日益重要。窗口材料按透光性能可分为透红外、透可见光和透紫外线等类;按材料性质可分为硅酸盐玻璃、硫属化合物玻璃和离子晶体等。硅酸盐玻璃的透过截止波长较短(3微米以内),硫属化合物玻璃截止波长较长(14微米以内),而离子晶体截止波长可达50~60微米。光纤面板也是一种重要的窗口材料,能将光线从入射端无失真、低损耗地传到输出端,它是由高折射率的玻璃作芯、低折射率的玻璃作涂层和吸收杂散光的黑色玻璃填料所组成。微通道板是在光纤面板基础上发展起来的第二代光纤面板,由数十万根空心管子所组成,不仅能传递、而且能增强光学信号和图像。
陶瓷的种类很多,广义的陶瓷包含玻璃、水泥在内的绝大部分无机非金属材料,狭义的陶瓷按照用途分类又有日用陶瓷、建筑陶瓷、电子陶瓷等
电子陶瓷材料 现在陶瓷散热片最常用的是氧化铝 Al2O3.不过是α型的氧化铝,俗称刚玉.其他晶型的氧化铝 还有氮化铝 AlN ...
人类已经合成了成千上万种自然界从未有过的物质,有机高分子合成材料的生产已经成为20世纪以来发展最快的部门之一.高分子合成材料的发展已经超过钢铁、水泥和木材这传统的三大基本材料. 今天的高分子材料,...
刘联宝主编:《电真空器件的钎焊与陶瓷-金属封接》,国防工业出版社,北京,1978。 小西良弘、辻俊郎合编,王兴斌译:《电子陶瓷基础和应用》,机械工业出版社,北京,1983。(小西良弘,辻俊郎:《ェレクトロ》セラミックスの基础と応用》,オ-ム社,东京,1978。)
大功率电子器件用高热导率陶瓷材料
大功率电子器件用高热导率陶瓷材料
大功率真空电子器件实用的高热导率陶瓷的进展
综述了大功率真空电子器件中实用的高热导率陶瓷,叙述了三种高热导率陶瓷的各种特性,特别是比较了它们的温度-热导率关系特性,指出BeO瓷是低温(<100℃)热导性好,AlN瓷是中温(约200℃)热导性好,而BN瓷则是高温(>450℃)热导性好。笔者认为:BeO瓷在近期相当一段时期内,仍然是大功率真空电子器件领域内最为广泛应用的高热导率陶瓷。
真空电子器件内的功能材料。
阴极材料 常用的阴极材料有钨丝、碳酸盐、铝酸盐、钪酸盐、硼化镧等,对它们的要求是纯度高、蒸发小、电子逸出功低、释放气体少。碳酸盐主要是碳酸钡、碳酸锶、碳酸钙。常以两种或三种碳酸盐共沉淀使用,以粉末状涂覆于基金属上。这类阴极材料分解后,活性很强,遇有害气体时极易中毒而使器件报废。铝酸盐、钪酸盐均为新型的阴极材料,它们由钡、铝、钙的氧化物和氧化钪混合而成,特点是蒸发小、工作温度低、发射密度高、寿命长,多用于大功率器件。
光电材料 广泛用于制作光电管与光电倍增管、摄像管等器件的光电阴极。一般很少使用单质体制作光电阴极,各个光电阴极都须在排气系统上即时制作,如银氧铯、锑铯、单碱锑化物或多碱锑化物阴极等。1970年后又有了Ⅲ-Ⅴ族化合物的GaAs(Cs)阴极。
光电导材料 主要利用其受光照时电阻率下降的内光电效应作摄像管的靶面材料。光电导材料有氧化铅、硫化铅、硫化锑、硒化镉、碲化锌镉、硒砷碲等。在摄像管中,为了提高灵敏度、降低惰性和延长响应波长,往往在上述材料中掺入少量的铜、碲等元素。
热释电材料 主要利用其热电转换性能制作热成像器件,要求材料的热释电系数大、介电常数小、居里温度高并具有良好的真空性能。这种材料虽然很多,但真正实用的不过十几种,如硫酸三甘肽及其同类型晶体、钽酸锂、锆钛酸铅和聚二氟乙烯等。主要用于 8~14微米和3~5微米两个大气窗口。这些材料的主要特点是可在室温工作,无需致冷。
吸气剂材料 用于吸收真空电子器件内的残余气体,改善器件性能,延长器件寿命。吸气剂分为蒸散型和非蒸散型两类。蒸散型吸气剂材料通常是钡铝合金,经加热分解后形成钡沉积膜产生吸气作用。工作温度范围从室温至 200。显像管中常使用掺有释氮化合物的吸气剂,如掺氮吸气剂和延迟掺氮吸气剂,以提高吸气性能。在微波电子管中,常使用非蒸散型吸气剂,分高温激活和低温激活两种。高温激活类吸气剂材料有锆铝16(通常在高温下使用)和锆石墨吸气剂(通常在室温下使用),激活温度在 950左右。低温激活类吸气剂材料有锆钒铁合金等,激活温度在450左右。这两类吸气剂都可多次激活,反复使用。锆-石墨吸气剂还有吸收甲烷的能力,常在像增强管中采用。锆-石墨材料具有50%左右的孔隙度,能吸收氮、氢、氧、氧化碳、水汽及铯蒸气等,吸铯温度为550。
荧光粉材料 是受激发光材料的一种,其中阴极射线激发的荧光粉主要用在电子束管;关键技术指标是:发光效率、色度、余辉、粒度及其分布等。黑白显像管用的 Y31白场荧光粉是由发黄光的铜、铝激活的硫化锌镉【(ZnCd)S:Cu、Al】和发蓝光的银激活硫化锌(ZnS:Ag)混合而成,在紫外线或阴极射线激发下发白光。彩色显像管常用的红色荧光粉是铕激活的硫氧化钇(Y2O3S:Eu);绿色荧光粉是铜铝激活的硫化锌镉 【(ZnCd)S:Cu、Al】(硫化物含量与黑白管的不同);蓝色荧光粉是银、氯激活的硫化锌(ZnS:Ag、Cl)。
有机硅材料 一种高分子材料,具优良的电性能、防潮性和耐温性。硅橡胶的击穿电压为20~25千伏/毫米,高频损耗低,特别适于作高频和高压真空电子器件外包装绝缘材料。液体有机硅可作高真空扩散泵油,在常温下蒸气压低,具有耐热、抗氧化、无毒、无腐蚀等特性。有机硅密封堵漏胶可密封微细漏孔,耐温-200~400。
石墨材料 是碳的同素异形体,热和电的良导体。热解石墨,也称定向石墨,由碳氢化合物气体遇热分解产生的碳沉积在固体表面而形成,用于功率管的阳极、栅极,可提高热耗散能力并能抑制次级电子发射。石墨乳主要用于显像管作为导电膜的涂料,要求分散性好、粘结牢固、颗粒度均匀等。彩色显像管用的石墨乳可分为:①黑体(亦称黑底)石墨,它对光有强的遮盖力,可提高亮度;②外导电石墨,它可以用作电场屏蔽;③内导电石墨乳。
介绍
真空电子器件内的功能材料。
阴极材料
常用的阴极材料有钨丝、碳酸盐、铝酸盐、钪酸盐、硼化镧等,对它们的要求是纯度高、蒸发小、电子逸出功低、释放气体少。碳酸盐主要是碳酸钡、碳酸锶、碳酸钙。常以两种或三种碳酸盐共沉淀使用,以粉末状涂覆于基金属上。这类阴极材料分解后,活性很强,遇有害气体时极易中毒而使器件报废。铝酸盐、钪酸盐均为新型的阴极材料,它们由钡、铝、钙的氧化物和氧化钪混合而成,特点是蒸发小、工作温度低、发射密度高、寿命长,多用于大功率器件。
光电材料
广泛用于制作光电管与光电倍增管、摄像管等器件的光电阴极。一般很少使用单质体制作光电阴极,各个光电阴极都须在排气系统上即时制作,如银氧铯、锑铯、单碱锑化物或多碱锑化物阴极等。1970年后又有了Ⅲ-Ⅴ族化合物的GaAs(Cs)阴极。
光电导材料
主要利用其受光照时电阻率下降的内光电效应作摄像管的靶面材料。光电导材料有氧化铅、硫化铅、硫化锑、硒化镉、碲化锌镉、硒砷碲等。在摄像管中,为了提高灵敏度、降低惰性和延长响应波长,往往在上述材料中掺入少量的铜、碲等元素。
热释电材料
主要利用其热电转换性能制作热成像器件,要求材料的热释电系数大、介电常数小、居里温度高并具有良好的真空性能。这种材料虽然很多,但真正实用的不过十几种,如硫酸三甘肽及其同类型晶体、钽酸锂、锆钛酸铅和聚二氟乙烯等。主要用于 8~14微米和3~5微米两个大气窗口。这些材料的主要特点是可在室温工作,无需致冷。
吸气剂材料
用于吸收真空电子器件内的残余气体,改善器件性能,延长器件寿命。吸气剂分为蒸散型和非蒸散型两类。蒸散型吸气剂材料通常是钡铝合金,经加热分解后形成钡沉积膜产生吸气作用。工作温度范围从室温至 200。显像管中常使用掺有释氮化合物的吸气剂,如掺氮吸气剂和延迟掺氮吸气剂,以提高吸气性能。在微波电子管中,常使用非蒸散型吸气剂,分高温激活和低温激活两种。高温激活类吸气剂材料有锆铝16(通常在高温下使用)和锆石墨吸气剂(通常在室温下使用),激活温度在 950左右。低温激活类吸气剂材料有锆钒铁合金等,激活温度在450左右。这两类吸气剂都可多次激活,反复使用。锆-石墨吸气剂还有吸收甲烷的能力,常在像增强管中采用。锆-石墨材料具有50%左右的孔隙度,能吸收氮、氢、氧、氧化碳、水汽及铯蒸气等,吸铯温度为550。
荧光粉材料
是受激发光材料的一种,其中阴极射线激发的荧光粉主要用在电子束管;关键技术指标是:发光效率、色度、余辉、粒度及其分布等。黑白显像管用的 Y31白场荧光粉是由发黄光的铜、铝激活的硫化锌镉【(ZnCd)S:Cu、Al】和发蓝光的银激活硫化锌(ZnS:Ag)混合而成,在紫外线或阴极射线激发下发白光。彩色显像管常用的红色荧光粉是铕激活的硫氧化钇(Y2O3S:Eu);绿色荧光粉是铜铝激活的硫化锌镉 【(ZnCd)S:Cu、Al】(硫化物含量与黑白管的不同);蓝色荧光粉是银、氯激活的硫化锌(ZnS:Ag、Cl)。
有机硅材料
一种高分子材料,具优良的电性能、防潮性和耐温性。硅橡胶的击穿电压为20~25千伏/毫米,高频损耗低,特别适于作高频和高压真空电子器件外包装绝缘材料。液体有机硅可作高真空扩散泵油,在常温下蒸气压低,具有耐热、抗氧化、无毒、无腐蚀等特性。有机硅密封堵漏胶可密封微细漏孔,耐温-200~400。
石墨材料
是碳的同素异形体,热和电的良导体。热解石墨,也称定向石墨,由碳氢化合物气体遇热分解产生的碳沉积在固体表面而形成,用于功率管的阳极、栅极,可提高热耗散能力并能抑制次级电子发射。石墨乳主要用于显像管作为导电膜的涂料,要求分散性好、粘结牢固、颗粒度均匀等。彩色显像管用的石墨乳可分为:①黑体(亦称黑底)石墨,它对光有强的遮盖力,可提高亮度;②外导电石墨,它可以用作电场屏蔽;③内导电石墨乳。
介质谐振器的特性参数(DR)介质谐振器是用特定的陶瓷材料制成的,表面上看很像一块光滑的小石头,人为的做成立方体、圆柱体、球形及圆筒形等。由于它可作为微波谐振腔来应用,所以近年来得到迅速的发展。它的实际应用,导致了微波源新的高技术领域的出现和发展 。
DR等效于一个微波谐振电路,在电路中用作选频、滤波元件。就其应用看,可从以下特性参数来表征它的性能.
1.品质因数Q值。它等于损耗角正切值的倒数。目前适用范围在5000~20000之间。2.谐振频率的温度系数r。它包含两个部分,一个是介电常数的温度系数rt,另一个是DR的热膨胀系数:r。3.相对介电常数。r。适用范围为20~90。不同的应用,对于介质的三项参数Q,ɑ,ɛ。,的要求也不同。欲得到满意的小型源,就要对Q,ɑ,ɛ适当选择,研制出合适的DR,这就必然在介质材料方面进行选择。通常,可适当选择不同的陶瓷材料,调配成多种成分的复合陶瓷材料而达到目的.限制参数,缺一不可。例如金红石相ITOZ,在4GH:频率下Q值高达10000 。r=100,此两项参数值是能满足一般应用要求的。但是它的频率温度系数r`二40oPPM/℃,如果温度是50℃,频率的绝对漂移80MH:,这样大的频漂对大多数场合是不适用的 。
.22介质材料及当前的水平多年来,经过人们不断努力研究,开发出了性能优良的介质材料,从1936年至60年代是取得初步成果的阶段。60年代末至80年代初,材料开发有了比较大的进展,许多性能优良的适用材料被研究出来,推动了DRO的发展。近十几年来,已研制出多种复合陶瓷材料,都具有优良的介质特性、很好的微波应用性能,将微波频段的应用范围扩展为l一50GH:或更宽些。如合成钙钦矿混合材料,常用分子式为:A[B`,/3B,`2/3〕03;式中A~Ba,Br;B,=Zn,Mg,Co,Ni;B'`-Ta,Nb,这些组分的合成材料具有优良的特性。。r=20~40,在10GH:下的空载Q。=10000,温度系数r`可通过掺进一些成分而改变 。