专利名称：一种高热导率多层SiC单晶微波衰减材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高热导率多层SiC单晶微波衰减材料及其制备方法，该材料可以应用于微波真空器件中，起到抑制震荡、消除非设计模式波的作用。
背景技术：
微波衰减陶瓷在微波真空管中起着抑制震荡、消除非设计模式波的作用。随着微波管向大功率、高效率、高增益、宽频带、长寿命方向发展，对衰减陶瓷的微波吸收性能和导热性能的要求越来越高，其性能直接关系到微波真空器件的稳定性、输出功率、可靠性等。衰减陶瓷通常由绝缘相和损耗相复合而成，常用的高热导率的衰减陶瓷主要包括AlN/Mo(W)复合陶瓷、AIN/SiC复合陶瓷、BeO基复合陶瓷等。虽然这些陶瓷的热导率理论值很高，如AlN和SiC的理论热导率分别在320ff/m · K和490ff/m · K以上，但是SiC、 AlN均属于声子导热，与其它材料复合后由于界面的散射作用使复合材料的热导率下降很多，这些衰减陶瓷的热导率一般小于100W/m ·Κ，特别是AIN/SiC复合材料，在高温烧结过程中会产生严重的界面反应，导致热导率的显著下降，复合材料的热导率通常只有50W/mK左右ο
发明内容
本发明的目的在于提供一种高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料，以解决现有技术中复合衰减陶瓷热导率偏低的问题。本发明的另一目的在于提供一种高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料的制备方法。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案—种高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料，由若干层具有高电阻率SiC层与高损耗SiC层交替复合而成，处于最外层的为高电阻率SiC层，其电阻率为104Ωπι IO8Qm ；高损耗SiC层为掺杂N的SiC层，其电阻率为10_3Ωπι IO1Qmt5所述高电阻率SiC层的电阻率优选为105Ωπι 108Ωπι，其作为导热层能将高损耗 SiC层吸收微波所产生的热量迅速传递出去，其热导率为250-410W/m ·Κ。而高损耗SiC层通过控制生长过程中载气中队的比例来调整SiC单晶的电阻值，达到在微波频段衰减电磁波的目的，其电阻率为10_3Ωπι IO1Qm,其热导率为120 250W/m · K。本发明的高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料中，高电阻率SiC层与高损耗 SiC层交替复合，可以根据实际需要调整二者的单层厚度和复合微波衰减材料的总厚度。其中，高电阻率SiC层的单层厚度为0. 01 0. 3mm,优选为0. 05 0. Imm ；高损耗SiC层的单层厚度为0. 01 0. 3mm，优选为0. 05 0. 2mm。上述复合微波衰减材料中的SiC均为单晶态，SiC单晶具有很高的热导率，相对复合陶瓷而言，由于晶格的完整性较高，其热导率远高于多晶材料。SiC单晶的生长通常采用物理气相输运法(PVT)制备。该方法是在合适的载气气氛下，在SiC粉源和籽晶之间形成温度梯度，在高温下使粉源分解并在籽晶上沉积长大。一种高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料的制备方法，包括以下步骤1)制备高电阻率SiC层采用纯度为6N以上的SiC粉料作为粉源，使用绝缘的或导电的SiC片作为籽晶，以高纯氩气为载气，使粉源于2000°c -M00°c生长沉积在籽晶上，生长气压为1000 3000Pa, SiC粉源与籽晶之间的温度梯度为5 30°C /cm,生长速度为0. 01 lmm/h，形成厚度为0. 01 0. 3mm的高电阻率SiC层；2)制备高损耗SiC层保持步骤1)中的生长温度、气压、温度梯度等工艺条件不变，以高纯氩气和高纯氮气的混合气体为载气，其中，氮气占混合气体的3Vol. % 99Vol. %，在步骤1)形成的高电阻率SiC层上生长厚度为0. 01 0. 3mm的高损耗SiC层；3)交替进行步骤1)和步骤幻，形成由高电阻率SiC层与高损耗SiC层交替复合而成的多层SiC单晶复合材料，将籽晶磨去后即可加工成高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料样品。上述制备方法中，可以根据实际需要调整步骤1)和步骤2、的重复次数来调整高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料的总厚度。本发明的有益效果是本发明采用PVT法制备多层SiC单晶复合微波衰减材料，通过在晶体生长过程中周期性地通入不同的气氛，形成交替复合的高电阻率SiC层与高损耗SiC层，高电阻率SiC 层作为导热层能将高损耗SiC层吸收微波所产生的热量迅速传递出去，其中高电阻率SiC 层的热导率为250-410W/m ·Κ，而高损耗SiC层可通过控制N的含量来调整SiC单晶的电阻值，达到在微波频段衰减电磁波的目的。
图1为PVT法制备SiC单晶的示意图。图2为本发明高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料的结构示意图。图3为本发明高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料的结构示意图。
具体实施例方式如图1所示为PVT法制备SiC单晶的示意图，该方法是在合适的载气3气氛下，在 SiC粉源1和籽晶2之间形成温度梯度，在高温下使粉源1分解并在籽晶2上沉积长大。如图2、图3所示为利用PVT法制备的本发明高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料的结构示意图，由高电阻率SiC层4与高损耗SiC层5两两相邻、交替复合而成，可以根据实际需要调整高电阻率SiC层4与高损耗SiC层5的单层厚度和高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料的总厚度。实施例1将绝缘的或导电的SiC片作为籽晶放置在石墨坩埚中，使用纯度为 6Ν(99. 9999% )以上的SiC粉料作为粉源，以高纯氩气为载气，在籽晶上生长厚度为0. Olmm 的高电阻率SiC层，生长气压为lOOOPa，SiC粉源与籽晶之间的温度梯度为5°C /cm,生长温度为2200°C，生长速度约为0. OWh0然后保持以上生长的工艺条件不变，以高纯氩气和高纯氮气的混合气体为载气，氮气占混合气体的3vol. %，在高电阻率SiC层上生长高损耗 SiC层，生长厚度至0. Olmm后，停止通入氮气。如此重复以上过程100次，最后一层为在氩气气氛下生长的高电阻率SiC层。将籽晶磨去后即可加工成多层SiC单晶复合微波衰减材料样品，结构如图2所示， 样品总厚度为2mm。其中高电阻率SiC层的热导率为350W/m · K，电阻率在IO4Qm以上，高损耗SiC层的热导率为210ff/m · K，电阻率为KT1-IO1 Ωm。实施例2将绝缘的或导电的SiC片作为籽晶放置在石墨坩埚中，使用纯度为 6N(99. 9999% )以上的SiC粉料作为粉源，以高纯氩气为载气，在籽晶上生长厚度为0. Imm 的高电阻率SiC层，生长气压为lOOOPa，SiC粉源与籽晶之间的温度梯度为30°C /cm，生长温度为2300°C，生长速度约为0. lmm/h。通过生长气压、温度、温度梯度的调控控制生长速度。然后保持以上生长的工艺条件不变，以高纯氩气和高纯氮气的混合气体为载气，氮气占混合气体的30vol. %，在高电阻率SiC层上生长高损耗SiC层，生长厚度至0. 2mm后，停止通入氮气。如此重复以上过程10次，最后一层为在氩气气氛下生长的高电阻率SiC层。将籽晶磨去后即可加工成多层复合的SiC单晶复合微波衰减材料样品，结构如图 3所示，样品总厚度为3. 1mm。其中高电阻率SiC层的热导率为380W/m ·Κ，电阻率在IO5Qm 以上，高损耗SiC层的热导率为200W/m · K，电阻率为KT1-IO1 Ωm。实施例3将绝缘的或导电的SiC片作为籽晶放置在石墨坩埚中，使用纯度为 6N(99. 9999% )以上的SiC粉料作为粉源，以高纯氩气为载气，在籽晶上生长厚度为0. Imm 的高电阻率SiC层，生长气压为3000Pa，SiC粉源与籽晶之间的温度梯度为10°C /cm，生长温度为2200°C，生长速度约为0. 05mm/h。然后保持以上生长的工艺条件不变，以高纯氩气和高纯氮气的混合气体为载气，氮气占混合气体的99vol. %，在高电阻率SiC层上生长高损耗SiC层，生长厚度至0. Imm后，停止通入队。如此重复以上过程20次，最后一层为在氩气气氛下生长的高电阻率SiC层。将籽晶磨去后即可加工成多层复合的SiC单晶复合微波衰减材料样品，结构如图 2所示，样品总厚度为4mm。其中高电阻率SiC层的热导率为320W/m · K，电阻率在IO4Qm 以上，高损耗SiC层的热导率为180W/m · K，电阻率为1(Γ2-10°Ωπι之间。实施例4将绝缘的或导电的SiC片作为籽晶放置在石墨坩埚中，使用纯度为 6Ν(99. 9999% )以上的SiC粉料作为粉源，在籽晶上生长厚度为0. 3mm的高电阻率SiC层， 生长气压为lOOOPa，SiC粉源与籽晶之间的温度梯度为5°C /cm，生长温度为M00°C，生长速度约为0. 2mm/h。然后保持以上生长的工艺条件不变，以高纯氩气和高纯氮气的混合气体为载气，氮气占混合气体的50vol. %，在高电阻率SiC层上生长高损耗SiC层，生长厚度至 0.3mm后，停止通入队。如此重复以上过程3次，最后一层为在氩气气氛下生长的高电阻率 SiC 层。将籽晶磨去后即可加工成多层复合的SiC单晶复合微波衰减材料样品，其结构如图2所示，样品总厚度为2. 1mm，其中高电阻率SiC层的热导率为410W/m · K，电阻率在IO5Ωm以上，损耗层的热导率为120W/m · K，电阻率为KT3-KT1 Ωm。
权利要求
1.一种高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料，其特征在于，由若干层具有高电阻率SiC层与高损耗SiC层交替复合而成，处于最外层的为高电阻率SiC层，其电阻率为 IO4Qm IO8Qm ；高损耗SiC层为掺杂N的SiC层，其电阻率为1(Γ3Ωπι IO1Qm0
2.根据权利要求1所述的高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料，其特征在于，所述高电阻率SiC层的热导率为250-410W/m ·Κ ；所述高损耗SiC层的热导率为120 250W/ m · K。
3.根据权利要求1所述的高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料，其特征在于，所述高电阻率SiC层的电阻率为IO5Qm IO8 Ωm。
4.根据权利要求1所述的高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料，其特征在于，所述高电阻率SiC层的单层厚度为0. 01 0. 3mm ；所述高损耗SiC层的单层厚度为0. 01 0. 3mmο
5.根据权利要求4所述的高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料，其特征在于，所述高电阻率SiC层的单层厚度为0. 05 0. Imm ；所述高损耗SiC层的单层厚度为0. 05 0. 2mm。
6.一种高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤1)制备高电阻率SiC层采用纯度为6N以上的SiC粉料作为粉源，使用绝缘的或导电的SiC片作为籽晶，以高纯氩气为载气，使粉源于2000°C -M00°C生长沉积在籽晶上，生长气压为1000 3000Pa， SiC粉源与籽晶之间的温度梯度为5 30°C /cm,生长速度为0. 01 lmm/h，形成厚度为 0. 01 0. 3mm的高电阻率SiC层；2)制备高损耗SiC层保持步骤1)中的生长温度、气压、温度梯度等工艺条件不变，以高纯氩气和高纯氮气的混合气体为载气，其中，氮气占混合气体的3Vol. % 99Vol. %，在步骤1)形成的高电阻率SiC层上生长厚度为0. 01 0. 3mm的高损耗SiC层；3)交替进行步骤1)和步骤幻，形成由高电阻率SiC层与高损耗SiC层交替复合而成的多层SiC单晶复合材料，将籽晶磨去后即可加工成高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料样品。
全文摘要
一种高热导率多层SiC单晶复合微波衰减材料，由若干层具有高电阻率SiC层与高损耗SiC层交替复合而成，处于最外层的为高电阻率SiC层，其电阻率为104Ωm～108Ωm；高损耗SiC层为掺杂N的SiC层，其电阻率为10-3Ωm～101Ωm，高电阻率SiC层的热导率为250-410W/m·K。本发明采用PVT法，通过在晶体生长过程中周期性地通入不同的气氛，形成交替复合的高电阻率SiC层与高损耗SiC层，高电阻率SiC层作为导热层能将高损耗SiC层吸收微波所产生的热量迅速传递出去，而高损耗SiC层可通过控制生长过程中载气中N2的比例来调整SiC单晶的电阻值，达到在微波频段衰减电磁波的目的。
文档编号C04B35/565GK102557640SQ20101059729
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年12月20日
发明者杜军, 杨志民, 杨立文, 毛昌辉, 董茜 申请人:北京有色金属研究总院