專利名稱：一種高熱導(dǎo)率多層SiC單晶微波衰減材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高熱導(dǎo)率多層SiC單晶微波衰減材料及其制備方法，該材料可以應(yīng)用于微波真空器件中，起到抑制震蕩、消除非設(shè)計模式波的作用。
背景技術(shù)：
微波衰減陶瓷在微波真空管中起著抑制震蕩、消除非設(shè)計模式波的作用。隨著微波管向大功率、高效率、高增益、寬頻帶、長壽命方向發(fā)展，對衰減陶瓷的微波吸收性能和導(dǎo)熱性能的要求越來越高，其性能直接關(guān)系到微波真空器件的穩(wěn)定性、輸出功率、可靠性等。衰減陶瓷通常由絕緣相和損耗相復(fù)合而成，常用的高熱導(dǎo)率的衰減陶瓷主要包括AlN/Mo(W)復(fù)合陶瓷、AIN/SiC復(fù)合陶瓷、BeO基復(fù)合陶瓷等。雖然這些陶瓷的熱導(dǎo)率理論值很高，如AlN和SiC的理論熱導(dǎo)率分別在320ff/m · K和490ff/m · K以上，但是SiC、 AlN均屬于聲子導(dǎo)熱，與其它材料復(fù)合后由于界面的散射作用使復(fù)合材料的熱導(dǎo)率下降很多，這些衰減陶瓷的熱導(dǎo)率一般小于100W/m ·Κ，特別是AIN/SiC復(fù)合材料，在高溫?zé)Y(jié)過程中會產(chǎn)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，導(dǎo)致熱導(dǎo)率的顯著下降，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率通常只有50W/mK左右ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料，以解決現(xiàn)有技術(shù)中復(fù)合衰減陶瓷熱導(dǎo)率偏低的問題。本發(fā)明的另一目的在于提供一種高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料的制備方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案—種高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料，由若干層具有高電阻率SiC層與高損耗SiC層交替復(fù)合而成，處于最外層的為高電阻率SiC層，其電阻率為104Ωπι IO8Qm ；高損耗SiC層為摻雜N的SiC層，其電阻率為10_3Ωπι IO1Qmt5所述高電阻率SiC層的電阻率優(yōu)選為105Ωπι 108Ωπι，其作為導(dǎo)熱層能將高損耗 SiC層吸收微波所產(chǎn)生的熱量迅速傳遞出去，其熱導(dǎo)率為250-410W/m ·Κ。而高損耗SiC層通過控制生長過程中載氣中隊的比例來調(diào)整SiC單晶的電阻值，達(dá)到在微波頻段衰減電磁波的目的，其電阻率為10_3Ωπι IO1Qm,其熱導(dǎo)率為120 250W/m · K。本發(fā)明的高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料中，高電阻率SiC層與高損耗 SiC層交替復(fù)合，可以根據(jù)實際需要調(diào)整二者的單層厚度和復(fù)合微波衰減材料的總厚度。其中，高電阻率SiC層的單層厚度為0. 01 0. 3mm,優(yōu)選為0. 05 0. Imm ；高損耗SiC層的單層厚度為0. 01 0. 3mm，優(yōu)選為0. 05 0. 2mm。上述復(fù)合微波衰減材料中的SiC均為單晶態(tài)，SiC單晶具有很高的熱導(dǎo)率，相對復(fù)合陶瓷而言，由于晶格的完整性較高，其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于多晶材料。SiC單晶的生長通常采用物理氣相輸運(yùn)法(PVT)制備。該方法是在合適的載氣氣氛下，在SiC粉源和籽晶之間形成溫度梯度，在高溫下使粉源分解并在籽晶上沉積長大。一種高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料的制備方法，包括以下步驟1)制備高電阻率SiC層采用純度為6N以上的SiC粉料作為粉源，使用絕緣的或?qū)щ姷腟iC片作為籽晶，以高純氬氣為載氣，使粉源于2000°c -M00°c生長沉積在籽晶上，生長氣壓為1000 3000Pa, SiC粉源與籽晶之間的溫度梯度為5 30°C /cm,生長速度為0. 01 lmm/h，形成厚度為0. 01 0. 3mm的高電阻率SiC層；2)制備高損耗SiC層保持步驟1)中的生長溫度、氣壓、溫度梯度等工藝條件不變，以高純氬氣和高純氮?dú)獾幕旌蠚怏w為載氣，其中，氮?dú)庹蓟旌蠚怏w的3Vol. % 99Vol. %，在步驟1)形成的高電阻率SiC層上生長厚度為0. 01 0. 3mm的高損耗SiC層；3)交替進(jìn)行步驟1)和步驟幻，形成由高電阻率SiC層與高損耗SiC層交替復(fù)合而成的多層SiC單晶復(fù)合材料，將籽晶磨去后即可加工成高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料樣品。上述制備方法中，可以根據(jù)實際需要調(diào)整步驟1)和步驟2、的重復(fù)次數(shù)來調(diào)整高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料的總厚度。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用PVT法制備多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料，通過在晶體生長過程中周期性地通入不同的氣氛，形成交替復(fù)合的高電阻率SiC層與高損耗SiC層，高電阻率SiC 層作為導(dǎo)熱層能將高損耗SiC層吸收微波所產(chǎn)生的熱量迅速傳遞出去，其中高電阻率SiC 層的熱導(dǎo)率為250-410W/m ·Κ，而高損耗SiC層可通過控制N的含量來調(diào)整SiC單晶的電阻值，達(dá)到在微波頻段衰減電磁波的目的。


圖1為PVT法制備SiC單晶的示意圖。圖2為本發(fā)明高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖1所示為PVT法制備SiC單晶的示意圖，該方法是在合適的載氣3氣氛下，在 SiC粉源1和籽晶2之間形成溫度梯度，在高溫下使粉源1分解并在籽晶2上沉積長大。如圖2、圖3所示為利用PVT法制備的本發(fā)明高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料的結(jié)構(gòu)示意圖，由高電阻率SiC層4與高損耗SiC層5兩兩相鄰、交替復(fù)合而成，可以根據(jù)實際需要調(diào)整高電阻率SiC層4與高損耗SiC層5的單層厚度和高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料的總厚度。實施例1將絕緣的或?qū)щ姷腟iC片作為籽晶放置在石墨坩堝中，使用純度為 6Ν(99. 9999% )以上的SiC粉料作為粉源，以高純氬氣為載氣，在籽晶上生長厚度為0. Olmm 的高電阻率SiC層，生長氣壓為lOOOPa，SiC粉源與籽晶之間的溫度梯度為5°C /cm,生長溫度為2200°C，生長速度約為0. OWh0然后保持以上生長的工藝條件不變，以高純氬氣和高純氮?dú)獾幕旌蠚怏w為載氣，氮?dú)庹蓟旌蠚怏w的3vol. %，在高電阻率SiC層上生長高損耗 SiC層，生長厚度至0. Olmm后，停止通入氮?dú)狻Ｈ绱酥貜?fù)以上過程100次，最后一層為在氬氣氣氛下生長的高電阻率SiC層。將籽晶磨去后即可加工成多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料樣品，結(jié)構(gòu)如圖2所示， 樣品總厚度為2mm。其中高電阻率SiC層的熱導(dǎo)率為350W/m · K，電阻率在IO4Qm以上，高損耗SiC層的熱導(dǎo)率為210ff/m · K，電阻率為KT1-IO1 Ωm。實施例2將絕緣的或?qū)щ姷腟iC片作為籽晶放置在石墨坩堝中，使用純度為 6N(99. 9999% )以上的SiC粉料作為粉源，以高純氬氣為載氣，在籽晶上生長厚度為0. Imm 的高電阻率SiC層，生長氣壓為lOOOPa，SiC粉源與籽晶之間的溫度梯度為30°C /cm，生長溫度為2300°C，生長速度約為0. lmm/h。通過生長氣壓、溫度、溫度梯度的調(diào)控控制生長速度。然后保持以上生長的工藝條件不變，以高純氬氣和高純氮?dú)獾幕旌蠚怏w為載氣，氮?dú)庹蓟旌蠚怏w的30vol. %，在高電阻率SiC層上生長高損耗SiC層，生長厚度至0. 2mm后，停止通入氮?dú)狻Ｈ绱酥貜?fù)以上過程10次，最后一層為在氬氣氣氛下生長的高電阻率SiC層。將籽晶磨去后即可加工成多層復(fù)合的SiC單晶復(fù)合微波衰減材料樣品，結(jié)構(gòu)如圖 3所示，樣品總厚度為3. 1mm。其中高電阻率SiC層的熱導(dǎo)率為380W/m ·Κ，電阻率在IO5Qm 以上，高損耗SiC層的熱導(dǎo)率為200W/m · K，電阻率為KT1-IO1 Ωm。實施例3將絕緣的或?qū)щ姷腟iC片作為籽晶放置在石墨坩堝中，使用純度為 6N(99. 9999% )以上的SiC粉料作為粉源，以高純氬氣為載氣，在籽晶上生長厚度為0. Imm 的高電阻率SiC層，生長氣壓為3000Pa，SiC粉源與籽晶之間的溫度梯度為10°C /cm，生長溫度為2200°C，生長速度約為0. 05mm/h。然后保持以上生長的工藝條件不變，以高純氬氣和高純氮?dú)獾幕旌蠚怏w為載氣，氮?dú)庹蓟旌蠚怏w的99vol. %，在高電阻率SiC層上生長高損耗SiC層，生長厚度至0. Imm后，停止通入隊。如此重復(fù)以上過程20次，最后一層為在氬氣氣氛下生長的高電阻率SiC層。將籽晶磨去后即可加工成多層復(fù)合的SiC單晶復(fù)合微波衰減材料樣品，結(jié)構(gòu)如圖 2所示，樣品總厚度為4mm。其中高電阻率SiC層的熱導(dǎo)率為320W/m · K，電阻率在IO4Qm 以上，高損耗SiC層的熱導(dǎo)率為180W/m · K，電阻率為1(Γ2-10°Ωπι之間。實施例4將絕緣的或?qū)щ姷腟iC片作為籽晶放置在石墨坩堝中，使用純度為 6Ν(99. 9999% )以上的SiC粉料作為粉源，在籽晶上生長厚度為0. 3mm的高電阻率SiC層， 生長氣壓為lOOOPa，SiC粉源與籽晶之間的溫度梯度為5°C /cm，生長溫度為M00°C，生長速度約為0. 2mm/h。然后保持以上生長的工藝條件不變，以高純氬氣和高純氮?dú)獾幕旌蠚怏w為載氣，氮?dú)庹蓟旌蠚怏w的50vol. %，在高電阻率SiC層上生長高損耗SiC層，生長厚度至 0.3mm后，停止通入隊。如此重復(fù)以上過程3次，最后一層為在氬氣氣氛下生長的高電阻率 SiC 層。將籽晶磨去后即可加工成多層復(fù)合的SiC單晶復(fù)合微波衰減材料樣品，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，樣品總厚度為2. 1mm，其中高電阻率SiC層的熱導(dǎo)率為410W/m · K，電阻率在IO5Ωm以上，損耗層的熱導(dǎo)率為120W/m · K，電阻率為KT3-KT1 Ωm。
權(quán)利要求
1.一種高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料，其特征在于，由若干層具有高電阻率SiC層與高損耗SiC層交替復(fù)合而成，處于最外層的為高電阻率SiC層，其電阻率為 IO4Qm IO8Qm ；高損耗SiC層為摻雜N的SiC層，其電阻率為1(Γ3Ωπι IO1Qm0
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料，其特征在于，所述高電阻率SiC層的熱導(dǎo)率為250-410W/m ·Κ ；所述高損耗SiC層的熱導(dǎo)率為120 250W/ m · K。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料，其特征在于，所述高電阻率SiC層的電阻率為IO5Qm IO8 Ωm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料，其特征在于，所述高電阻率SiC層的單層厚度為0. 01 0. 3mm ；所述高損耗SiC層的單層厚度為0. 01 0. 3mmο
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料，其特征在于，所述高電阻率SiC層的單層厚度為0. 05 0. Imm ；所述高損耗SiC層的單層厚度為0. 05 0. 2mm。
6.一種高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟1)制備高電阻率SiC層采用純度為6N以上的SiC粉料作為粉源，使用絕緣的或?qū)щ姷腟iC片作為籽晶，以高純氬氣為載氣，使粉源于2000°C -M00°C生長沉積在籽晶上，生長氣壓為1000 3000Pa， SiC粉源與籽晶之間的溫度梯度為5 30°C /cm,生長速度為0. 01 lmm/h，形成厚度為 0. 01 0. 3mm的高電阻率SiC層；2)制備高損耗SiC層保持步驟1)中的生長溫度、氣壓、溫度梯度等工藝條件不變，以高純氬氣和高純氮?dú)獾幕旌蠚怏w為載氣，其中，氮?dú)庹蓟旌蠚怏w的3Vol. % 99Vol. %，在步驟1)形成的高電阻率SiC層上生長厚度為0. 01 0. 3mm的高損耗SiC層；3)交替進(jìn)行步驟1)和步驟幻，形成由高電阻率SiC層與高損耗SiC層交替復(fù)合而成的多層SiC單晶復(fù)合材料，將籽晶磨去后即可加工成高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料樣品。
全文摘要
一種高熱導(dǎo)率多層SiC單晶復(fù)合微波衰減材料，由若干層具有高電阻率SiC層與高損耗SiC層交替復(fù)合而成，處于最外層的為高電阻率SiC層，其電阻率為104Ωm～108Ωm；高損耗SiC層為摻雜N的SiC層，其電阻率為10-3Ωm～101Ωm，高電阻率SiC層的熱導(dǎo)率為250-410W/m·K。本發(fā)明采用PVT法，通過在晶體生長過程中周期性地通入不同的氣氛，形成交替復(fù)合的高電阻率SiC層與高損耗SiC層，高電阻率SiC層作為導(dǎo)熱層能將高損耗SiC層吸收微波所產(chǎn)生的熱量迅速傳遞出去，而高損耗SiC層可通過控制生長過程中載氣中N2的比例來調(diào)整SiC單晶的電阻值，達(dá)到在微波頻段衰減電磁波的目的。
文檔編號C04B35/565GK102557640SQ20101059729
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者杜軍, 楊志民, 楊立文, 毛昌輝, 董茜 申請人:北京有色金屬研究總院