电真空材料与工艺

1、电真空材料与工艺,提出性能指标,理论计算,结构工艺设计,成品管,测试,第一章 微波电真空工艺特点和电真空材料,什么是微波电真空器件 ？ 利用电子注与高频场的相互作用而实现微波能量的产生和放大的器件 工作环境：真空 电子注与高频场的复杂性，决定了它的研制必然是一种知识、技术密集型的过程。,第一节 电真空工艺特点,1、 使用材料广泛而特殊 广泛：包含了自然界中70%以上的已知元素 金属及合金、气体、介质材料、化学材料、特殊材料,金属材料：,气体：,介质材料：,玻璃,陶瓷,云母,聚四氟乙烯、硅橡胶、环氧树脂、,化学材料：,硫酸、盐酸、硝酸、铬酸、丙酮、乙醇、汽油、三氯乙烯、四氯化碳、,特殊材料：,发

2、射材料、吸气材料、发光材料、封接材料、二次电子发射材料、磁性材料、,1、 使用材料广泛而特殊 特殊 ：对材料的要求特殊 机械加工性能： 既要易于加工，又要具有足够的强度； 电磁性能： 高频机构的材料应具有良好的导电性，磁体材料则应具有良好的磁性能等等；,真空性能： 好的吸气或放气性能，低的饱和蒸汽压，良好的气密性； 热性能： 热稳定性能、高温强度性能等； 封接（焊接）性能： 适当的膨胀系数、好的焊料浸润性能等等；,特殊材料的特殊性能： 发射材料的发射性能、抗中毒能力，吸气材料的吸气性能等等。,第一节 电真空工艺特点,1、使用材料广泛而特殊 2、机械加工要求高 要求加工精度高 （0.01mm0.

3、02mm） 表面光洁度要高 （粗糙度0.80.2或更高）,第一节 电真空工艺特点,3、设备专业性强 ：按照特定工艺技术要求而设计制造的专用设备 加工制造设备 真空设备 涂覆设备 热处理设备 焊接设备 专用测试设备,第一节 电真空工艺特点,4、生产技术复杂 机械加工技术 半导体工艺技术 真空技术 焊接技术 玻璃、陶瓷及其封接技术,第一节 电真空工艺特点,5、真空卫生严格 成品率、可靠性以及寿命 ； 固体污染物 液态污染物,第一节 电真空工艺特点,6、工艺纪律严肃 严格按工艺规范生产 ，对工艺规范的修改，都必须经充分试验，审批后才能实行,第二节 电真空常用金属与合金,难熔金属：熔点高，3000 左

4、右。W（钨）、Mo（钼）、Re（铼）、Ta（钽）、Nb（铌）等，用作器件中的加热体（阴极、热子）及高温工作零件（行波管螺旋线、管内阳极、聚焦极等）。 非难熔金属 ：熔点低，10001500 。铜（Cu）、镍（Ni）、铁（Fe）等及其合金。做结构零件,晶粒示意图,2.1 难熔金属,（一）钨及钨合金 性质：钨的比重达19.119.3克/厘米3。钨的熔点高达3410 用途：直热式阴极、热子材料 合金 ：钨钼合金 、钍钨丝 、铼钨丝 、钨铜棒,2.1 难熔金属,（二）钼及钼合金 性质：比重10.2克/厘米3、熔点2620。纯钼的机械性能良好，因而易于加工 用途：做工作在1000以下的电极 合金 ：钨钼

5、合金 、钼铜,2.1 难熔金属,（三）钽铌（TaNb）合金 性质 ：钽的熔点2996，比重16.6克/厘米3，铌的熔点2415，比重8.57克/厘米3。强度高、抗疲劳、抗变形、抗腐蚀、导热、及吸收气体等优良特性 用途 ：阴极支持筒、热屏筒 等,2.2 非难熔金属,（一）铜（Cu）及铜合金 性质 ：熔点为1083，比重8.95克/厘米3 ，良好导电、导热性能。无磁性，有良好的耐腐蚀性，成本低 用途 ：大量使用。管内零件、管外零件。纯铜的牌号是T1、T2、T3和T4,无氧铜：无氧铜中氧的含量一般在0.0010.003%之间，杂质总量不超过0.05% “氢病”：氢气渗透到铜的内部，与铜中所含的氧发生

6、作用形成了水蒸气，在铜中形成很高的压力，使铜遭到破坏。 塑性很好 ；缺点是强度不高 无氧铜牌号：TU1、TU2,弥散强化无氧铜：均匀掺入非常细小（1m）的硬化质点，比如Al2O3颗粒 强度高、导热导电性能好、热稳定性和气密性高、无磁性、易于加工、与焊料浸润性好,铜的合金 1、铜锌（CuZn）合金黄铜 特点：强度比铜高、价格低；加热后蒸发 严重 用途：管外零件，特别是微波元件、波导 最常用的黄铜是H62，含铜量在60.563.5%,铜的合金 2、铜镍（CuNi）合金白铜 3、青铜。,2.2 非难熔金属,（二）镍（Ni）及镍合金 性质 ：银白色的金属，熔点1452，比重8.9克/厘米3 ；抗拉强度

7、较高，有好的延展性和韧性、焊接性好、蒸汽压低、耐腐蚀 用途 ：用于合金。是电真空工业中应用最广泛的金属之一 。,镍的合金 蒙耐尔（Monel）合金：镍含量达6070%、铜仅2535% 白色的金属，外观与镍相似，它具有比镍更好的强度和塑性 牌号：NCu40-2-1（含铜40%、锰2%、铁1%）,2.2 非难熔金属,（三）铝（Al）及铝合金 性质 ：导电性好 ；导热性好、塑性好、易加工。密度2.7克/厘米3 缺点：熔点低（658），高温强度差。 用途 ：管外零件为主。 牌号：L1、L2 硬铝（AL-Cu-Mg）、（Al-Cu-Mn） 牌号：LY11、LY12,2.2 非难熔金属,（四）铁（Fe）及

8、铁合金 性质 ：与镍相似 ；熔点为1537，密度7.87克/厘米3 缺点：去气困难、易生锈 用途 ：利用软磁特性；作极靴、磁屏蔽,不锈钢 ：含铬1719%，含镍9%左右的1Cr18Ni9 如果再加入0.81%的钛，则就成为1Cr18Ni9Ti。 作为器件本身的结构件，也可以做真空系统的管道和各种连接法兰。 作模具材料（黑化）。,2.3 贵金属,金、银、铂、钯、铑、铯、锇、铱等八种金属 特点：化学稳定性、抗腐蚀性和抗电化学侵蚀性好，并具有优良的导电、导热性。 用途：利用其导电、导热性好作为引线、或者在波导内壁镀敷金、银； 作为焊料，如金、银、钯； 铂价格昂贵，用作钨钼材料焊接时的过度材料。,第三

9、节 常用介质材料,电真空器件的结构材料，除了大量使用各种金属和合金外，还广泛使用各种介质材料，如玻璃、陶瓷、云母、硅橡胶、聚四氟乙烯和衰减材料等等。 主要介绍：陶瓷 普通陶瓷：高岭土的化学成分中含有大量的AL2O3、SiO2和少量的Fe2O3、TiO2以及微量的K2O、Na2O、CaO和MgO等。,3.1电真空陶瓷的特性,（一）优点： 1、陶瓷能在高温（达800）下正常工作； 2、介质损耗小； 3、可以加工得到精确的尺寸 ； 4、陶瓷的机械强度、化学稳定性、绝缘性能等等都优于玻璃。 不足之处：不透明，制造和封接工艺相对比较复杂 ,3.1电真空陶瓷的特性,（二）用途： 1、管壳 2、输能窗 3、

10、支撑件 4、绝缘件 通常同一陶瓷零件同时起两三种作用 ,3.1电真空陶瓷的特性,（三）性能： （1）真空性能 a、气密性：阻止电真空器件外部的大气通过陶瓷进入器件内部的能力； b、放气性 ,3.1电真空陶瓷的特性,（三）性能： （2）热性能 包括：导热系数、膨胀系数和热稳定性 a、导热系数 物理意义 热的来源 危害 ,常用材料导热系数（单位：W/cmK） Al2O3瓷 0.10.3 氧化铍瓷 2 银 4.29 铜 3.86 金 3.17 铝 2.37 铁 0.8,（2）热性能 b、膨胀系数 膨胀温度曲线的斜率 c、热稳定性 承受高低温冲击的能力,3.1电真空陶瓷的特性,（三）性能： （3）电性

11、能 a、介质损耗 一般都很小 b、电绝缘性能 体电阻 100时 1013欧姆厘米 300时 1012欧姆厘米 ,3.1电真空陶瓷的特性,（三）性能： （4）机械性能 取决于陶瓷的成分和密度 （5）其它性能 密度、二次电子发射、抗辐射等性能 ,3.1电真空常用陶瓷,包括氧化物瓷、硅酸盐瓷、氮化物瓷等 主要介绍氧化物瓷、衰减瓷,3.2电真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： 包括有氧化铝（Al2O3）瓷、氧化铍（BeO）瓷、氧化镁（MgO）和氧化锆（ZrO2）瓷,3.2电真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： （1）氧化铝瓷 （a）75瓷。Al2O3含量为75%，烧成温度14001450。 瓷内含玻璃相较多，因此

12、介质损耗较大（38） 10-4 。 用途：75瓷主要用作无线电元件而很少用在电真空器件内。,单相Al2O3陶瓷组织,3.2电真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： （1）氧化铝瓷 （b）95瓷。Al2O3含量为95%，烧成温度16001620 。 介质损耗小（1.42.2）10-4。 导热性能和强度比75瓷高 用途：微波管的主要用瓷 。,3.2电真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： （1）氧化铝瓷 （c）99瓷。Al2O3含量达到99%，烧成温度更高 介电性能和强度等比95瓷又有提高。 成本高 用途：用于电真空器件中的关键部位 。 ,3.2电真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： （1）氧化铝瓷 （d）透明刚玉瓷

13、。Al2O3含量达到99.9%，烧成温度1800和5小时 性能非常好，特别是高频损耗比95瓷要低一个数量级，导热率又高，化学稳定性好。 成本高 用途：在少数场合下作微波管输出窗和特殊光源如钠灯、钾灯灯管等 。 ,3.2电真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： （1）氧化铝瓷 （e）宝石 。单晶刚玉通常称为宝石 ，Al2O3含量在99.9899.992%的Al2O3单晶体 很高的机械强度、耐高温、耐电子轰击、很低的介质损耗、导热性与金属钛和不锈钢相当。 价格昂贵 用途：毫米波大功率微波管输出窗、螺旋线夹持杆，常用于红外激光器、大规模集成电路外延的衬底、光学传感器、光通信器件的窗口等 ,3.2电真空常用陶

14、瓷,（一）氧化物瓷： （2）氧化铍瓷 以氧化铍粉为原料，加入微量MgO、Al2O3等添加物烧结而成，烧成温度达18001850。 性能：机械强度略低于氧化铝瓷，其膨胀系数、介电强度、介质损耗都与氧化铝瓷接近。 。 特点：是具有与金属可以比拟的导热能力，它的导热系数与纯铝接近，是95瓷的十倍。 ,3.2电真空常用陶瓷,（一）氧化物瓷： （2）氧化铍瓷 用途：氧化铍是一种低损耗、高导热的绝缘材料，是制造大功率输能窗和大功率行波管螺旋线夹持杆的理想材料，也广泛用作大功率半导体器件的热沉材料 氧化铍的粉尘有剧毒 ,3.2电真空常用陶瓷,（二）衰减瓷： 应用于管子内部，起吸收微波功率的作用 种类包括：碳

15、化硅衰减瓷 金属衰减瓷 渗碳多孔衰减瓷 ,3.2电真空常用陶瓷,（二）衰减瓷： （1）碳化硅衰减瓷 碳化硅与氧化铝陶瓷或氧化镁陶瓷组合可成为大功率衰减陶瓷。 优点：衰减量大、能耐高温、高强度、高硬度、致密性好和导热率高 缺点：放气量大、性能不够稳定 ,3.2电真空常用陶瓷,（二）衰减瓷： （2）金属衰减瓷 金属（W、Mo）粉末和陶瓷（Al2O3、SiO2、BN、BeO）粉末，按一定比列混合，在高温下压制成型，埋于石墨中烧结而成 95%氧化铝瓷为基体，混入5%的钨粉，在碳粉保护下烧结 在氧化铍瓷中掺入二氧化钛，则更可以获得高导热率的衰减瓷 ,3.2电真空常用陶瓷,（二）衰减瓷： （3） 渗碳多孔

16、衰减瓷 在多孔陶瓷（多孔Al2O3瓷、BeO瓷或其它陶瓷）中渗入碳，烧氢而制成的陶瓷亦可以作衰减瓷 缺点：性能不稳定，衰减量受配方、原料处理、成型方法、烧结温度等影响较大。,3.3 电真空玻璃,显示器件、光电器件等中仍有着广泛的应用，即使在微波管中，玻璃也少量地被用来作某些管子的输出窗、放电管的谐振窗等。 ,3.3 电真空玻璃,（一）玻璃的组成成份 一种较为透明的液体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。二氧化硅为主要成分，它本身就可以单独形成玻璃，是构成玻璃的基本骨架，占玻璃总重量的二分之一至四分之三 玻璃就属于 “玻璃态”的物质,3.3 电真空玻璃,优点： （a）玻璃成本低廉、原料丰富； （b）玻璃是透明材料、透光性好，这点对显示器件和光电器件尤为重要； （c）加工性能好，易于成型； （d）气密性好，不透气，且易于清洁和去气； （e）玻璃的电气绝缘性能、化学稳定性等也能满足一般电真空器件的要求。 缺点：损耗大、强度差、不耐震、不能在高温下工作等。,3.3 电真空玻璃,（二）电真空常用玻璃 钨组玻璃 、钼组玻璃 、铂组玻璃 、钢组玻璃、石英玻璃（按膨胀系数分） 主要用于磁控管、气体放电管、引燃管、闸流管以及传统电子管中。 特种电光源如气体放电灯、卤钨灯和紫外线灯的外壳，真空退火炉的玻璃钟罩等 ,3.4硅橡