提到微波真空電子器件，可能很多人會感到相對陌生，但若是說到雷達、導彈、衛星、核反應堆等，那就會感到親切了。衛星需要的幾百瓦功率來自什么器件？雷達需要的幾千瓦功率來自什么器件？核反應堆加熱需要的幾兆瓦功率來自什么器件？是它是它還是它。微波真空電子器件的一種代表性產品就是行波管功率放大器，這是通信衛星的關鍵元器件，沒有它我們就做不到遠距離信號的傳輸。而在日益發展進步的雷達技術中，無論是用于國防方面的情報監測，還是民用的汽車電子、無人機、自動駕駛等多個領域，它也發揮著舉足輕重的作用。

真空電子陶瓷材料是支撐微波真空電子器件技術發展的關鍵基礎材料，在微波真空電子器件中主要起到絕緣支撐、微波傳輸和微波衰減三個方面的作用。隨著微波真空電子器件向高頻率、高功率、小型化方向發展，電場強度和功率密度快速增大，對陶瓷材料的性能要求大幅提高：用于絕緣的陶瓷材料表面需耐受更高的閃絡電壓；用于微波傳輸的陶瓷材料應具有高的熱導率、高的抗射頻擊穿能力、低的介電常數和介質損耗等；用于微波衰減的陶瓷材料應具有高的熱導率和可剪裁的介質性能頻譜等，而優異的工藝和機械性能是器件可靠性對真空電子陶瓷材料的共性要求。

真空電子陶瓷配件

目前常用的真空電子陶瓷材料有氧化鋁瓷(Al₂O₃)、氧化鈹瓷(BeO)、氮化硼(BN)瓷等。氧化鈹瓷、氮化硼瓷一般用于螺旋線行波管慢波線作夾持；氧化鋁瓷有99%Al₂O₃瓷和95%Al₂O₃瓷。國內外在真空電子器件中應用最多的是95%Al₂O₃瓷，常用在電子槍、收集極、輸能裝置中，也用作氣體放電器件的外殼和引線絕緣。而隨著真空電子器件相關技術的發展，為滿足高功率、高頻率器件的研制需求，與真空電子陶瓷應用相關的工藝技術也得到充分重視，如：高耐壓摻雜和涂層技術、輸能窗二次電子發射抑制技術、微型衰減器精密成型與加工技術等。

氧化鋁真空電子陶瓷的幾種發展方向

1.高耐壓陶瓷

高壓打火是行波管等微波真空電子器件最主要的失效方式，而絕緣介質（陶瓷）表面的耐壓又是其中最薄弱的環節，多以陶瓷沿面閃絡的形式發生。雖然BeO、AlN、Si₃N₄等陶瓷都具有優良的絕緣性能，而氧化鋁陶瓷因其成本低廉、工藝成熟、性能穩定，是目前微波真空電子器件中應用最廣泛的高壓絕緣材料，但常規的氧化鋁陶瓷材料的耐壓性能已經不能滿足高頻率、高功率、小型化微波真空電子器件的發展要求。

高壓真空滅弧室氧化鋁陶瓷真空管

研究表明，氧化鋁陶瓷的耐壓能力與其純度、致密度、晶粒尺寸、缺陷種類及濃度、表面狀態等因素密切相關，機理十分復雜。通常認為，在器件工作過程中，電子撞擊絕緣介質（即真空陶瓷部件）表面后，會激發出二次電子，這些二次電子又在電場的作用下加速再次撞擊介質表面，激發出更多的二次電子，如此多次反復，最終導致沿面閃絡的發生，從而易產生失效。

因此提高陶瓷材料本身耐壓性能目前主要有兩個思路，其一是降低表面二次電子發射系數，抑制二次電子倍增過程；其二是適當降低表面電阻率，提高電荷消散能力，避免電場的局部過度集中。

采用Cr₂O₃、Cu₂O等涂層技術可使氧化鋁陶瓷閃絡電壓顯著提高，或者采用Mn、Ti等表面摻雜也是一種提高閃絡電壓的方向。

含Cr₂O₃涂層與無涂層氧化鋁陶瓷閃絡電壓

2.微波傳輸陶瓷

微波傳輸要求材料具有高強度、高導熱、低二次電子發射系數、低介質損耗、適當低的介電常數等。可用于微波輸能窗的材料主要有氧化鋁（含藍寶石）、氧化鈹、氮化硼、氮化鋁和金剛石等。

各類微波窗材料物理性能參數

其中氧化鋁陶瓷雖然導熱率最低，但其力學性能良好、工藝成熟度高、成本低，仍然是目前應用最廣泛的輸能窗材料，通過提高純度、優化工藝可以獲得機械強度更高、損耗更低的高純細晶氧化鋁陶瓷。

高純氧化鋁陶瓷窗在微波功率傳輸能力上的優異表現很大程度上歸功于其低的介質損耗和高的體積電阻率；藍寶石的介質損耗、體積電阻率優于高純氧化鋁陶瓷，但是其二次電子發射系數偏高，電子在表面碰撞的級聯倍增效應顯著，導致其微波功率傳輸的能力低于高純氧化鋁陶瓷。

介質損耗對于微波傳輸陶瓷的性能影響較大，但對于化學組成十分接近的氧化鋁陶瓷，其介質損耗數據也會有很大差異。例如有研究者對幾家著名公司的氧化鋁陶瓷產品進行測試，發現同樣是純度均大于等于99.9%的氧化鋁陶瓷，但其介質損耗數據跨度達3個數量級，說明不到0.1%的微量摻雜對氧化鋁陶瓷性能影響巨大。不同的摻雜種類會在氧化鋁晶格內產生不同的缺陷，摻雜的組分多以晶態或非晶態形式存在于晶界上，不同的缺陷類型以不同的頻率與外電場發生作用，從而在不同的電場頻率下表現出不同的介質損耗特性。

不同成分高純氧化鋁的介質損耗頻譜數據

另外，由于氧化鋁陶瓷（包括藍寶石）二次電子發射系數較高(δmax＞６)，高功率下射頻擊穿問題比較突出。目前采用在輸能窗表面鍍覆低二次電子發射材料（TiN等），對抑制射頻擊穿效果較好，但需對膜層穩定性和抑制效果退化等問題進一步研究。

3.微波衰減陶瓷

微波衰減材料是真空電子器件中重要功能材料，它的作用是對微波信號的有效吸收、降低反射，以抑制各種模式的雜波，保證器件工作的穩定性。目前，歐美國家主要采用是以SiC為衰減相的復相陶瓷材料，絕緣介質基體主要有BeO、MgO、Al₂O₃、AlN等，研究目標多著眼于微波介電性能和熱導率。

綜合考慮器件的功能和工藝要求，良好的衰減材料應具備：①高導熱；②高強度；③良好的溫度穩定性好；④可剪裁的介電性能（以滿足寬頻吸收和匹配要求）；⑤低放氣速率；⑥可加工性能好。這些要求中有些是相互制約的，隨著工作頻率向太赫茲邁進，器件尺寸大幅減小，對衰減材料的綜合性能提出更高要求，頻率達到2200GHz以上，特征尺寸將減小至0.05mm以下，在滿足導熱、介電等性能的同時，材料應具有高的力學強度和韌性。

同時，高功率、高頻率微波真空電子器件的發展對衰減陶瓷材料體系和工藝設計、顯微結構控制和精密加工技術提出了新挑戰，為此，必須從更微觀層次開展衰減材料設計與性能剪裁，實現材料綜合性能最佳組合，如：將高損耗與低損耗、低介電常數材料組合成功能梯度衰減材料，改善材料的頻率匹配特性；尋找具有更高導熱性能的介質基體，以低維納米材料（納米顆粒、納米線、納米片等）為衰減相為新型衰減材料的設計和制造提供了新思路；近年成為研究熱點的3D打印技術也為復雜微型衰減器制備加工提供了新途徑。這些都是高性能衰減材料未來的研究方向。

總結

電子陶瓷是支撐微波真空電子器件技術發展的關鍵材料，反過來，微波真空電子器件向高頻率、高功率、小型化方向發展對電子陶瓷技術提出了新的挑戰。其中氧化鋁作為應用最為廣泛的一種材料，加強表面耐受更高電場、耐受更高微波功率傳輸、適用于大功率高頻率寬頻帶應用的高性能氧化鋁真空電子陶瓷材料的制備研究，是發展高端微波真空電子器件技術的重點任務之一。

參考來源：

1.真空電子陶瓷材料技術發展與應用，趙世柯、魯燕萍（真空電子技術）；

2.電真空器件用陶瓷材料熱導率研究，杜斌、魯燕萍（真空電子技術）；

3.電真空器件用氧化鋁陶瓷的介電性能，趙世柯（陶瓷）；

4.真空電子器件用氧化鋁陶瓷顯微結構的研究，何曉梅、王曉寧（真空電子技術）。

粉體圈小吉

本文為粉體圈原創作品，未經許可，不得轉載，也不得歪曲、篡改或復制本文內容，否則本公司將依法追究法律責任。