電真空材料與工藝

1、電真空材料與工藝,提出性能指標(biāo),理論計(jì)算,結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì),成品管,測試,第一章 微波電真空工藝特點(diǎn)和電真空材料,什么是微波電真空器件 ？ 利用電子注與高頻場的相互作用而實(shí)現(xiàn)微波能量的產(chǎn)生和放大的器件 工作環(huán)境：真空 電子注與高頻場的復(fù)雜性，決定了它的研制必然是一種知識、技術(shù)密集型的過程。,第一節(jié) 電真空工藝特點(diǎn),1、 使用材料廣泛而特殊 廣泛：包含了自然界中70%以上的已知元素 金屬及合金、氣體、介質(zhì)材料、化學(xué)材料、特殊材料,金屬材料：,氣體：,介質(zhì)材料：,玻璃,陶瓷,云母,聚四氟乙烯、硅橡膠、環(huán)氧樹脂、,化學(xué)材料：,硫酸、鹽酸、硝酸、鉻酸、丙酮、乙醇、汽油、三氯乙烯、四氯化碳、,特殊材料：,發(fā)

2、射材料、吸氣材料、發(fā)光材料、封接材料、二次電子發(fā)射材料、磁性材料、,1、 使用材料廣泛而特殊 特殊 ：對材料的要求特殊 機(jī)械加工性能： 既要易于加工，又要具有足夠的強(qiáng)度； 電磁性能： 高頻機(jī)構(gòu)的材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性，磁體材料則應(yīng)具有良好的磁性能等等；,真空性能： 好的吸氣或放氣性能，低的飽和蒸汽壓，良好的氣密性； 熱性能： 熱穩(wěn)定性能、高溫強(qiáng)度性能等； 封接（焊接）性能： 適當(dāng)?shù)呐蛎浵禂?shù)、好的焊料浸潤性能等等；,特殊材料的特殊性能： 發(fā)射材料的發(fā)射性能、抗中毒能力，吸氣材料的吸氣性能等等。,第一節(jié) 電真空工藝特點(diǎn),1、使用材料廣泛而特殊 2、機(jī)械加工要求高 要求加工精度高 （0.01mm0.

3、02mm） 表面光潔度要高 （粗糙度0.80.2或更高）,第一節(jié) 電真空工藝特點(diǎn),3、設(shè)備專業(yè)性強(qiáng) ：按照特定工藝技術(shù)要求而設(shè)計(jì)制造的專用設(shè)備 加工制造設(shè)備 真空設(shè)備 涂覆設(shè)備 熱處理設(shè)備 焊接設(shè)備 專用測試設(shè)備,第一節(jié) 電真空工藝特點(diǎn),4、生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜 機(jī)械加工技術(shù) 半導(dǎo)體工藝技術(shù) 真空技術(shù) 焊接技術(shù) 玻璃、陶瓷及其封接技術(shù),第一節(jié) 電真空工藝特點(diǎn),5、真空衛(wèi)生嚴(yán)格 成品率、可靠性以及壽命 ； 固體污染物 液態(tài)污染物,第一節(jié) 電真空工藝特點(diǎn),6、工藝紀(jì)律嚴(yán)肅 嚴(yán)格按工藝規(guī)范生產(chǎn) ，對工藝規(guī)范的修改，都必須經(jīng)充分試驗(yàn)，審批后才能實(shí)行,第二節(jié) 電真空常用金屬與合金,難熔金屬：熔點(diǎn)高，3000 左

4、右。W（鎢）、Mo（鉬）、Re（錸）、Ta（鉭）、Nb（鈮）等，用作器件中的加熱體（陰極、熱子）及高溫工作零件（行波管螺旋線、管內(nèi)陽極、聚焦極等）。 非難熔金屬 ：熔點(diǎn)低，10001500 。銅（Cu）、鎳（Ni）、鐵（Fe）等及其合金。做結(jié)構(gòu)零件,晶粒示意圖,2.1 難熔金屬,（一）鎢及鎢合金 性質(zhì)：鎢的比重達(dá)19.119.3克/厘米3。鎢的熔點(diǎn)高達(dá)3410 用途：直熱式陰極、熱子材料 合金 ：鎢鉬合金 、釷鎢絲 、錸鎢絲 、鎢銅棒,2.1 難熔金屬,（二）鉬及鉬合金 性質(zhì)：比重10.2克/厘米3、熔點(diǎn)2620。純鉬的機(jī)械性能良好，因而易于加工 用途：做工作在1000以下的電極 合金 ：鎢鉬

5、合金 、鉬銅,2.1 難熔金屬,（三）鉭鈮（TaNb）合金 性質(zhì) ：鉭的熔點(diǎn)2996，比重16.6克/厘米3，鈮的熔點(diǎn)2415，比重8.57克/厘米3。強(qiáng)度高、抗疲勞、抗變形、抗腐蝕、導(dǎo)熱、及吸收氣體等優(yōu)良特性 用途 ：陰極支持筒、熱屏筒 等,2.2 非難熔金屬,（一）銅（Cu）及銅合金 性質(zhì) ：熔點(diǎn)為1083，比重8.95克/厘米3 ，良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。無磁性，有良好的耐腐蝕性，成本低 用途 ：大量使用。管內(nèi)零件、管外零件。純銅的牌號是T1、T2、T3和T4,無氧銅：無氧銅中氧的含量一般在0.0010.003%之間，雜質(zhì)總量不超過0.05% “氫病”：氫氣滲透到銅的內(nèi)部，與銅中所含的氧發(fā)生

6、作用形成了水蒸氣，在銅中形成很高的壓力，使銅遭到破壞。 塑性很好 ；缺點(diǎn)是強(qiáng)度不高 無氧銅牌號：TU1、TU2,彌散強(qiáng)化無氧銅：均勻摻入非常細(xì)小（1m）的硬化質(zhì)點(diǎn)，比如Al2O3顆粒 強(qiáng)度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好、熱穩(wěn)定性和氣密性高、無磁性、易于加工、與焊料浸潤性好,銅的合金 1、銅鋅（CuZn）合金黃銅 特點(diǎn)：強(qiáng)度比銅高、價(jià)格低；加熱后蒸發(fā) 嚴(yán)重 用途：管外零件，特別是微波元件、波導(dǎo) 最常用的黃銅是H62，含銅量在60.563.5%,銅的合金 2、銅鎳（CuNi）合金白銅 3、青銅。,2.2 非難熔金屬,（二）鎳（Ni）及鎳合金 性質(zhì) ：銀白色的金屬，熔點(diǎn)1452，比重8.9克/厘米3 ；抗拉強(qiáng)度

7、較高，有好的延展性和韌性、焊接性好、蒸汽壓低、耐腐蝕 用途 ：用于合金。是電真空工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬之一 。,鎳的合金 蒙耐爾（Monel）合金：鎳含量達(dá)6070%、銅僅2535% 白色的金屬，外觀與鎳相似，它具有比鎳更好的強(qiáng)度和塑性 牌號：NCu40-2-1（含銅40%、錳2%、鐵1%）,2.2 非難熔金屬,（三）鋁（Al）及鋁合金 性質(zhì) ：導(dǎo)電性好 ；導(dǎo)熱性好、塑性好、易加工。密度2.7克/厘米3 缺點(diǎn)：熔點(diǎn)低（658），高溫強(qiáng)度差。 用途 ：管外零件為主。 牌號：L1、L2 硬鋁（AL-Cu-Mg）、（Al-Cu-Mn） 牌號：LY11、LY12,2.2 非難熔金屬,（四）鐵（Fe）及

8、鐵合金 性質(zhì) ：與鎳相似 ；熔點(diǎn)為1537，密度7.87克/厘米3 缺點(diǎn)：去氣困難、易生銹 用途 ：利用軟磁特性；作極靴、磁屏蔽,不銹鋼 ：含鉻1719%，含鎳9%左右的1Cr18Ni9 如果再加入0.81%的鈦，則就成為1Cr18Ni9Ti。 作為器件本身的結(jié)構(gòu)件，也可以做真空系統(tǒng)的管道和各種連接法蘭。 作模具材料（黑化）。,2.3 貴金屬,金、銀、鉑、鈀、銠、銫、鋨、銥等八種金屬 特點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性、抗腐蝕性和抗電化學(xué)侵蝕性好，并具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性。 用途：利用其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好作為引線、或者在波導(dǎo)內(nèi)壁鍍敷金、銀； 作為焊料，如金、銀、鈀； 鉑價(jià)格昂貴，用作鎢鉬材料焊接時(shí)的過度材料。,第三

9、節(jié) 常用介質(zhì)材料,電真空器件的結(jié)構(gòu)材料，除了大量使用各種金屬和合金外，還廣泛使用各種介質(zhì)材料，如玻璃、陶瓷、云母、硅橡膠、聚四氟乙烯和衰減材料等等。 主要介紹：陶瓷 普通陶瓷：高嶺土的化學(xué)成分中含有大量的AL2O3、SiO2和少量的Fe2O3、TiO2以及微量的K2O、Na2O、CaO和MgO等。,3.1電真空陶瓷的特性,（一）優(yōu)點(diǎn)： 1、陶瓷能在高溫（達(dá)800）下正常工作； 2、介質(zhì)損耗小； 3、可以加工得到精確的尺寸 ； 4、陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性能等等都優(yōu)于玻璃。 不足之處：不透明，制造和封接工藝相對比較復(fù)雜 ,3.1電真空陶瓷的特性,（二）用途： 1、管殼 2、輸能窗 3、

10、支撐件 4、絕緣件 通常同一陶瓷零件同時(shí)起兩三種作用 ,3.1電真空陶瓷的特性,（三）性能： （1）真空性能 a、氣密性：阻止電真空器件外部的大氣通過陶瓷進(jìn)入器件內(nèi)部的能力； b、放氣性 ,3.1電真空陶瓷的特性,（三）性能： （2）熱性能 包括：導(dǎo)熱系數(shù)、膨脹系數(shù)和熱穩(wěn)定性 a、導(dǎo)熱系數(shù) 物理意義 熱的來源 危害 ,常用材料導(dǎo)熱系數(shù)（單位：W/cmK） Al2O3瓷 0.10.3 氧化鈹瓷 2 銀 4.29 銅 3.86 金 3.17 鋁 2.37 鐵 0.8,（2）熱性能 b、膨脹系數(shù) 膨脹溫度曲線的斜率 c、熱穩(wěn)定性 承受高低溫沖擊的能力,3.1電真空陶瓷的特性,（三）性能： （3）電性

11、能 a、介質(zhì)損耗 一般都很小 b、電絕緣性能 體電阻 100時(shí) 1013歐姆厘米 300時(shí) 1012歐姆厘米 ,3.1電真空陶瓷的特性,（三）性能： （4）機(jī)械性能 取決于陶瓷的成分和密度 （5）其它性能 密度、二次電子發(fā)射、抗輻射等性能 ,3.1電真空常用陶瓷,包括氧化物瓷、硅酸鹽瓷、氮化物瓷等 主要介紹氧化物瓷、衰減瓷,3.2電真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： 包括有氧化鋁（Al2O3）瓷、氧化鈹（BeO）瓷、氧化鎂（MgO）和氧化鋯（ZrO2）瓷,3.2電真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： （1）氧化鋁瓷 （a）75瓷。Al2O3含量為75%，燒成溫度14001450。 瓷內(nèi)含玻璃相較多，因此

12、介質(zhì)損耗較大（38） 10-4 。 用途：75瓷主要用作無線電元件而很少用在電真空器件內(nèi)。,單相Al2O3陶瓷組織,3.2電真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： （1）氧化鋁瓷 （b）95瓷。Al2O3含量為95%，燒成溫度16001620 。 介質(zhì)損耗?。?.42.2）10-4。 導(dǎo)熱性能和強(qiáng)度比75瓷高 用途：微波管的主要用瓷 。,3.2電真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： （1）氧化鋁瓷 （c）99瓷。Al2O3含量達(dá)到99%，燒成溫度更高 介電性能和強(qiáng)度等比95瓷又有提高。 成本高 用途：用于電真空器件中的關(guān)鍵部位 。 ,3.2電真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： （1）氧化鋁瓷 （d）透明剛玉瓷

13、。Al2O3含量達(dá)到99.9%，燒成溫度1800和5小時(shí) 性能非常好，特別是高頻損耗比95瓷要低一個(gè)數(shù)量級，導(dǎo)熱率又高，化學(xué)穩(wěn)定性好。 成本高 用途：在少數(shù)場合下作微波管輸出窗和特殊光源如鈉燈、鉀燈燈管等 。 ,3.2電真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： （1）氧化鋁瓷 （e）寶石 。單晶剛玉通常稱為寶石 ，Al2O3含量在99.9899.992%的Al2O3單晶體 很高的機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫、耐電子轟擊、很低的介質(zhì)損耗、導(dǎo)熱性與金屬鈦和不銹鋼相當(dāng)。 價(jià)格昂貴 用途：毫米波大功率微波管輸出窗、螺旋線夾持桿，常用于紅外激光器、大規(guī)模集成電路外延的襯底、光學(xué)傳感器、光通信器件的窗口等 ,3.2電真空常用陶

14、瓷,（一）氧化物瓷： （2）氧化鈹瓷 以氧化鈹粉為原料，加入微量MgO、Al2O3等添加物燒結(jié)而成，燒成溫度達(dá)18001850。 性能：機(jī)械強(qiáng)度略低于氧化鋁瓷，其膨脹系數(shù)、介電強(qiáng)度、介質(zhì)損耗都與氧化鋁瓷接近。 。 特點(diǎn)：是具有與金屬可以比擬的導(dǎo)熱能力，它的導(dǎo)熱系數(shù)與純鋁接近，是95瓷的十倍。 ,3.2電真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： （2）氧化鈹瓷 用途：氧化鈹是一種低損耗、高導(dǎo)熱的絕緣材料，是制造大功率輸能窗和大功率行波管螺旋線夾持桿的理想材料，也廣泛用作大功率半導(dǎo)體器件的熱沉材料 氧化鈹?shù)姆蹓m有劇毒 ,3.2電真空常用陶瓷,（二）衰減瓷： 應(yīng)用于管子內(nèi)部，起吸收微波功率的作用 種類包括：碳

15、化硅衰減瓷 金屬衰減瓷 滲碳多孔衰減瓷 ,3.2電真空常用陶瓷,（二）衰減瓷： （1）碳化硅衰減瓷 碳化硅與氧化鋁陶瓷或氧化鎂陶瓷組合可成為大功率衰減陶瓷。 優(yōu)點(diǎn)：衰減量大、能耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度、致密性好和導(dǎo)熱率高 缺點(diǎn)：放氣量大、性能不夠穩(wěn)定 ,3.2電真空常用陶瓷,（二）衰減瓷： （2）金屬衰減瓷 金屬（W、Mo）粉末和陶瓷（Al2O3、SiO2、BN、BeO）粉末，按一定比列混合，在高溫下壓制成型，埋于石墨中燒結(jié)而成 95%氧化鋁瓷為基體，混入5%的鎢粉，在碳粉保護(hù)下燒結(jié) 在氧化鈹瓷中摻入二氧化鈦，則更可以獲得高導(dǎo)熱率的衰減瓷 ,3.2電真空常用陶瓷,（二）衰減瓷： （3） 滲碳多孔

16、衰減瓷 在多孔陶瓷（多孔Al2O3瓷、BeO瓷或其它陶瓷）中滲入碳，燒氫而制成的陶瓷亦可以作衰減瓷 缺點(diǎn)：性能不穩(wěn)定，衰減量受配方、原料處理、成型方法、燒結(jié)溫度等影響較大。,3.3 電真空玻璃,顯示器件、光電器件等中仍有著廣泛的應(yīng)用，即使在微波管中，玻璃也少量地被用來作某些管子的輸出窗、放電管的諧振窗等。 ,3.3 電真空玻璃,（一）玻璃的組成成份 一種較為透明的液體物質(zhì)，在熔融時(shí)形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，冷卻過程中粘度逐漸增大并硬化而不結(jié)晶的硅酸鹽類非金屬材料。二氧化硅為主要成分，它本身就可以單獨(dú)形成玻璃，是構(gòu)成玻璃的基本骨架，占玻璃總重量的二分之一至四分之三 玻璃就屬于 “玻璃態(tài)”的物質(zhì),3.3 電真空玻璃,優(yōu)點(diǎn)： （a）玻璃成本低廉、原料豐富； （b）玻璃是透明材料、透光性好，這點(diǎn)對顯示器件和光電器件尤為重要； （c）加工性能好，易于成型； （d）氣密性好，不透氣，且易于清潔和去氣； （e）玻璃的電氣絕緣性能、化學(xué)穩(wěn)定性等也能滿足一般電真空器件的要求。 缺點(diǎn)：損耗大、強(qiáng)度差、不耐震、不能在高溫下工作等。,3.3 電真空玻璃,（二）電真空常用玻璃 鎢組玻璃 、鉬組玻璃 、鉑組玻璃 、鋼組玻璃、石英玻璃（按膨脹系數(shù)分） 主要用于磁控管、氣體放電管、引燃管、閘流管以及傳統(tǒng)電子管中。 特種電光源如氣體放電燈、鹵鎢燈和紫外線燈的外殼，真空退火爐的玻璃鐘罩等 ,3.4硅橡