電真空材料與工藝.ppt

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(cè)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(shí) 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)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(duì)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 01mm 0 02mm 表面光潔度要高 粗糙度0 8 0 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(cè)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(duì)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 1000 1500 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 1 19 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 鎢鉬合金 鉬銅 2 1難熔金屬 三 鉭鈮 Ta Nb 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(hào)是T1 T2 T3和T4 無氧銅 無氧銅中氧的含量一般在0 001 0 003 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(hào) TU1 TU2 彌散強(qiáng)化無氧銅 均勻摻入非常細(xì)小 1 m 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 Cu Zn 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 5 63 5 銅的合金2 銅鎳 Cu Ni 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)60 70 銅僅25 35 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(hào) 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(hào) L1 L2硬鋁 AL Cu Mg Al Cu Mn 牌號(hào) LY11 LY12 2 2非難熔金屬 四 鐵 Fe 及鐵合金性質(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17 19 含鎳9 左右的1Cr18Ni9如果再加入0 8 1 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(duì)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 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 cm K Al2O3瓷0 1 0 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1400 1450 瓷內(nèi)含玻璃相較多 因此介質(zhì)損耗較大 3 8 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1600 1620 介質(zhì)損耗小 1 4 2 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 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(jí) 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 98 99 992 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)1800 1850 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(duì)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硅橡膠 用