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行波管是一种重要的微波器件,具有大功率、高增益、宽频带和长寿命等特点,广泛应用于雷达、电子对抗和通讯等重点工程,被誉为武器装备的“心脏”,有着半导体器件无可比拟的优越性。为了抑制行波管内非设计模式的电磁波,防止自激震荡,增加谐振腔的工作带宽,提高终端电磁匹配性能,使微波管稳定可靠地工作,必须使用微波衰减材料。
本文综述了BaO-Re2O3-TiO2微波介质陶瓷和行波管用衰减复相材料研究进展,微波衰减材料的参数以及微波衰减机理,利用无压烧结方法对BaO-Re2O3-TiO2(Re=Sm、La)体系陶瓷烧结性能和介电性能进行了研究,利用热压烧结研究了BST-石墨和BLT-石墨两个复相系统制备工艺及微波衰减性能与介电性能的关系。
对于BaO-Sm2O3-xTiO2(x=3.5,4,4.5,6)体系陶瓷而言,随着TiO2含量的增加,BaO-Sm2O3-TiO2体系陶瓷烧结温度降低及体积密度减小,主晶相均为BaSm2Ti4O12,主晶相晶粒成柱状,在基体中依一定取向排列,随着TiO2含量增高,晶粒长径比增大。当x=3时,存在少量次晶相Sm2Ti2O7:当x=4时,陶瓷体呈单相;当x=4.5,6时,次晶相Ba2Ti9O20、TiO2在样品中逐渐出现。在高频下(4~5GHz),随着TiO2含量增加,介电常数先增加再减小,品质因素减小。当x=4时,其介电常数最高,εr=82.9,可作为实验所需的衰减材料基体的配方。
在BaSm2Ti4O12(简称BST)中添加衰减剂石墨制备微波衰减材料,在1300℃、N2气氛热压烧结制备了一系列不同石墨含量的复相材料,研究了石墨含量对复相材料的显微结构及微波衰减性能的影响。结果表明,复相材料的相组成为BaSm2Ti4O12和石墨。石墨的添加有利于改善BST基体的微波衰减性能,均呈现选频衰减,在2~16GHz范围内,存在3个明显的谐振峰,当石墨含量从0wt%增加到15wt%时,谐振峰向低频漂移,衰减量增大,石墨含量从15wt%增加至30wt%时,谐振峰向高频漂移,衰减量增大。
用无压烧结方法对BaO-La2O3-xTiO2(x=3,4,4.5,5,6)陶瓷进行了研究,研究表明TiO2含量越高,BaO-La2O3-TiO2体系陶瓷烧结温度越低,体积密度越小。当x=3时,样品的主晶相为BaLa2Ti3O10,主晶相呈片状形态,在基体中有一定取向;当x=4,4.5,5,6时,主晶相均为BaLa2Ti4O12,晶粒呈柱状,随着TiO2含量的增加,主晶相晶粒长径比增加,在样品中逐渐出现次晶相Ba2Ti9O20、Ti6O11。在高频(4~5GHz)下,随着TiO2含量越高,介电常数先增加再减小,品质因素减小。当x=4时,为单相物质,其介电常数最高,εr=124.33,可作为本实验所需的基体的配方。
在BaLa2Ti4O12(简称BLT)中添加衰减剂石墨制备微波衰减材料,在1300℃、N2气氛热压烧结制备了一系列不同石墨含量的复相材料,研究了石墨含量对复相材料的显微结构及微波衰减性能的影响。结果表明,石墨的添加有利于改善BLT基体的微波衰减性能,各试样均呈现选频衰减,在2~16GHz范围内,有3个明显的谐振峰。随石墨含量的增加,BLT-C复相微波衰减材料的谐振峰先向低频漂移再向高频漂移,衰减量增大。
对比BaO-5m2O3-TiO2与BaO-La2O3-TiO2体系陶瓷实验结果,可推知TiO2的含量越大,BaO-Re2O3-xTiO2(x=3,3.5,4,4.5,5,6)陶瓷体积密度降低,致密化温度降低。当x=3时,主晶相为BaRe2Ti3O10属于层状类钙钛矿结构,晶粒为片状;当x增大到3.5时,主晶相为BaRe2Ti4O12,类钨青铜结构;当x=4时,样品均为单相物质;当x=6时,随着TiO2的过量,次晶相的增加,次晶相中出现氧化钛系化合物。在高频(4~5GHz)下,随着TiO2含量的增大,介电常数先增加再减小,当x=4时达到最大值,品质因素随着TiO2的含量增加减小。
通过对比BST-石墨和BLT-石墨系统可知,在2~16GHz频率范围内,添加等量的石墨,BLT-石墨复相材料的衰减量比BST-石墨复相材料大,谐振峰对应的频率低。随着石墨含量的增加,损耗显著增大,先向低频漂移再向高频漂移,衰减量增大。