CN103594306B - 一种金刚石/金属复合材料夹持杆及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金刚石/金属复合材料夹持杆及制备方法，属于真空电子技术领域，涉及行波管用夹持杆，解决BeO等材料不能满足行波管的散热要求，而天然和人造金刚石大单晶材料成本高、制造困难，CVD自支撑厚膜成本高、易脆断、装配难的问题。一种金刚石/金属复合材料夹持杆，包括三层，上、下两层为CVD金刚石膜，中间为金属层，所述的金属层为包覆有粒度大小相近、晶体取向一致的人造金刚石颗粒的金属层，金刚石颗粒与上、下两层CVD金刚石膜相互连接。本发明制备时间较短，成本低，产品有较好的韧性，不容易脆断。
Description
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，涉及行波管用夹持杆，具体涉及一种用于行波管的金刚石/金属复合材料夹持杆及制造方法。
背景技术
行波管是一种利用高速电子注与微波信号互作用将电子注的动能转化为微波能量的功率放大器件，被广泛应用于通信、导航定位、雷达探测等领域。行波管工作时，螺旋线由于高频损耗及受散焦的电子注轰击作用而产生热量，这些热量需要及时传出，否则会因温度过高造成行波管平均输出功率的衰减，导致慢波损耗的大幅增加。在行波管中，夹持杆除了起到将螺旋线固定在金属管壳内的作用外，还是螺旋线的散热通道。为了改善螺旋线的散热能力，往往采用高导热的绝缘介质材料作为夹持杆来支撑螺旋线。
目前，制造螺旋线夹持杆最常用的材料为BeO陶瓷，但是由于BeO毒性很大，给研究和生产造成了很大的困难，同时BeO的热导率较低（仅为铜的1/4），所以难于满足毫米波行波管特别是短毫米波行波管使用要求。而用热解BN陶瓷制作螺旋线夹持杆时，仍存在强度和导热率不能满足使用要求的缺点。与BeO陶瓷、热解BN陶瓷相比，金刚石在热导率、热膨胀系数、绝缘性能、介电常数、介质损耗方面的性能要优越得多，因此是制造夹持杆的理想材料，但是由于天然金刚石材料价格昂贵，夹持杆的制造过程复杂、难度较大，所以难以进行推广应用。
人工合成的金刚石也具有较高的热导率。目前采用高温高压法可以对金刚石单晶进行工业化生产，但是产品多为粒度较小的金刚石单晶，虽然生产成本低、价格低廉，但很难用来制造夹持杆。对于大尺寸单晶，由于的生产难度较大、成本较高，所以价格比较昂贵，导致在制造夹持杆方面的应用受到了限制。
CVD方法能够制备较大面积的金刚石膜，这为夹持杆的制造提供了条件。采用CVD法制备的自支撑金刚石厚膜作为夹持杆的毫米波行波管螺旋线预计能够比采用BeO夹持杆在最大功率容量上高两倍多。但是，使用CVD自支撑金刚石厚膜制造夹持杆存在两个方面的问题：首先，所需的膜材料必须达到一定的厚度，而由于CVD金刚石膜沉积速率较低，使得制造成本较高。其次，CVD自支撑金刚石厚膜的脆性比较大，当被切割成纤细的夹持杆在装配和使用时很容易脆断。
中国专利（CN 102867716 A）“一种用于行波管的金刚石-金属复合式夹持杆及其制造方法”， 提出一种能够缩短金刚石膜的沉积时间、提高夹持杆的强度的方法，首先在金属基片表面形成金刚石晶核，接着使用化学气相沉积方法人工合成一层金刚石，然后研磨和抛光金刚石表面，最后用激光切割加工成金刚石-金属复合式夹持杆。这种方法的主要缺点在于：一方面，所使用的钼基片较薄（0.5mm），在CVD法制备金刚石膜时，较高的沉积温度会基片发生翘曲。另一方面，由于金属材料与金刚石的热膨胀系数差别较大，在进行激光切割或使用过程中会出现金属与金刚石热应力差异出现变形而无法保证夹持杆的平行度。
因此，为了克服现有技术存在的上述缺陷，有必要研发一种用于行波管的金刚石/金属复合材料夹持杆新型材料。
发明内容
本发明是为了解决BeO等材料不能满足行波管的散热要求，而天然和人造金刚石大单晶材料成本高、制造困难，CVD自支撑厚膜成本高、易脆断、装配难的问题，而提供了一种金刚石/金属复合材料夹持杆。
本发明的另一个目的是提供上述金刚石/金属复合材料夹持杆的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种金刚石/金属复合材料夹持杆，包括三层，上、下两层为CVD金刚石膜，中间为金属层，所述的金属层为包覆有粒度大小相近、晶体取向一致的人造金刚石颗粒的金属层，金刚石颗粒与上、下两层CVD金刚石膜相互连接。
进一步地，所述的夹持杆形状为矩形截面长条杆状。
所述的人造金刚石颗粒主要是高温高压法生产的金刚石颗粒，所具晶体取向优选(100)。
所述的金属层元素为可以与金刚石形成良好结合强度的强碳化物金属元素，包括Ti、W、Mo、Cr、Nb、Zr、Ta、Hf。
上述金刚石/金属复合材料夹持杆的制造方法，步骤如下：
（1）制备第一层金刚石膜：使用厚度为3～5mm硅圆片作为基片，用金刚石粉研磨其表面，然后用去离子水和丙酮分别超声清洗，并用热风吹干，再采用CVD方法在硅圆片上制备第一层金刚石膜并控制膜的厚度；
（2）制备金属层：首先在第一层金刚石膜表面上均匀的摆放一层高温高压法生产的金刚石颗粒，然后采用双辉等离子体渗金属技术在金刚石膜表面制备一层金属层；
（3）制备第二层金刚石膜：使用砂纸打磨金属层表面致金刚石颗粒表面露出，再使用金刚石粉研磨金属层表面、边缘以及硅片边缘，分别使用去离子水和丙酮溶液对复合片进行超声清洗，并用热风吹干，采用CVD方法在金属层表面和边缘以及硅圆片周边制备第二层金刚石膜，控制膜的厚度；
（4）去硅基片处理：使用体积比为1:3的氢氟酸和硝酸混合溶液将硅基片腐蚀掉，以获得金刚石/金属复合材料圆片；
（5）切边及抛光：使用激光切割方法将酸腐蚀后超出平面的部分切除，并将圆片进行双面研磨和抛光；
（6）切割成型：使用激光切割方法将复合材料圆片切割成最终所需的夹持杆。
更进一步地，所述的CVD方法为直流电弧等离子体喷射CVD法或者微波等离子体CVD法。
步骤（1）中所述的用热风吹干的硅圆片要放置在钼模中，然后采用CVD方法在硅圆片上制备第一层金刚石膜后从钼模中取出，放置在凹槽深度较大的另一钼模中，然后制备金属层。
更进一步地，步骤（3）中所述的第二层CVD金刚石膜和第一层CVD金刚石膜相互连接，并将金属层整体包裹起来，防止进行步骤（4）去硅基片处理时，金属层被腐蚀。
本发明制备过程中，制备第一层金刚石膜时，将厚度为3～5mm的硅圆片表面用金刚石粉轻轻研磨，然后用去离子水和丙酮分别超声清洗，并用热风吹干，再采用CVD方法在硅圆片上生长一层金刚石膜并控制膜的厚度，生长金刚石过程中使用钼模，防止硅圆片侧表面因暴露在等离子体中而生长金刚石膜，保证第一层金刚石膜与硅圆片边缘平齐，一般控制厚度在0.16±0.05mm；渗金属过程需要将金刚石/硅复合片放置在凹槽深度较大的另一钼模中，防止第一层金刚石膜和硅圆片侧表面溅射上金属，同时使渗后金属层与第一层金刚石膜及硅圆片边缘平齐，然后在放置在双辉等离子体渗金属装置中的基台上，在金刚石膜表面均匀摆放一层金刚石颗粒，颗粒之间的距离控制在2~3mm，使用双辉等离子体渗金属方法，以直径为70~100mm、纯度为99.999%的金属靶材作为源极材料在第一层金刚石膜表面制备金属层；将制备了金属层的复合片从钼模中取出后，使用600#或800#砂纸打磨金属层表面使金刚石颗粒表面露出，再制备第二层金刚石膜，控制金刚石膜的厚度，在0.16±0.05mm；使用体积比为1:3的氢氟酸和硝酸混合溶液将硅圆片腐蚀掉，以获得金刚石/金属复合片；最后使用激光切割方法将第二层金刚石膜超出第一层金刚石膜下表面的部分切除，使用目前常用的金刚石膜的抛光方法将第二层金刚石膜的上表面和第一层金刚石膜下表面抛光。
本发明中两层金刚石膜的沉积及金属层的制备过程中，均是在具有一定厚度的硅基片上进行，因此能够避免制备过程中出现变形；制备金属层时使用的是能与金刚石形成优良结合强度的强碳化物形成元素，所采用的双辉等离子体渗金属技术不但能够金属原子扩散到第一层金刚石膜的晶界和孔洞等缺陷中，而且也能够界面上形成金属碳化物，因此具有较高的结合强度，与此同时，第二层金刚石膜也很容易在这种金属层上形核并与其保持良好的结合强度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）两层金刚石膜均比较薄，所以制备时间较短，降低了制造成本；
（2）金属层使夹持杆具有一定的韧性，装配和使用过程中不容易脆断；
（3）所使用的金刚石颗粒粒度较小，所以成本很低；
（4）由于金刚石颗粒具有同样的晶体取向，所以能够将与螺旋线接触的金刚石膜的热量迅速传导到另一层金刚石膜，使金属层两侧保持热平衡，避免激光切割及使用过程中出现因热应力作用而导致的变形。
附图说明
图1为本发明激光切割后的金刚石/金属复合材料夹持杆的结构示意图；
图2为本发明制备第一层金刚石膜的制造过程剖视示意图；
图3为本发明制备金属层的制造过程剖视示意图；
图4为本发明金属层表面处理的剖视示意图；
图5为本发明制备第二层金刚石膜的制造过程剖视示意图；
图6为本发明酸洗去硅片处理后的金刚石/金属复合片剖视示意图;
图7为本发明切边并双面抛光后的金刚石/金属复合片剖视示意图；
图中: 1-钼模Ⅰ、2-硅圆片、3-第一层CVD金刚石膜、4-钼模Ⅱ、5-金刚石颗粒、6-金属层、7-第二层CVD金刚石膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示的一种金刚石/金属复合材料夹持杆，包括三层，上下两层为第一层CVD金刚石膜3和第二层CVD金刚石膜7，中间为金属层6，所述的金属层6为包覆着粒度大小相近、晶体取向一致的人造金刚石颗粒的金属层，其中金属层的金刚石颗粒与上、下两层CVD金刚石膜相互连接。
夹持杆形状为矩形截面长条杆状，长52mm, 高0.7mm, 宽0.2mm；所述的人造金刚石颗粒主要是高温高压法生产的金刚石颗粒，所具晶体取向优选(100)，晶粒度为0.4～0.5mm；所述的金属层元素为可以与金刚石形成良好结合强度的强碳化物金属元素，可以是Ti、W、Mo、Cr、Nb、Zr、Ta、Hf等；所述的上、下两层CVD金刚石膜的厚度均为0.14-0.16mm，优选0.15mm；金属层厚度为0.4-0.6mm，优选0.5mm。
上述金刚石/金属复合材料夹持杆的制造方法，步骤如下：
（1）制备第一层金刚石膜：使用直径60mm、厚度5mm的硅圆片2作为基片，表面用粒度为3~5μm的金刚石粉轻轻研磨，然后用去离子水和丙酮分别超声清洗15~20min，并用热风吹干；将硅圆片2放入外径为65mm、高度10mm，凹槽直径60.1mm、深度5.2mm的钼模Ⅰ1中，然后放置在微波等离子体CVD金刚石装置的基台上制备第一层金刚石膜3；
使用工艺参数为：微波功率：4~5kW，压强：5~6kPa，基片温度：750~900℃，CH4：H2=1~1.5%，气体总流量：200~500sccm，沉积时间：90~120h，金刚石膜厚控制在0.16±0.05mm；
如图2所示，表示制备第一层金刚石膜的剖视示意图；
（2）制备金属层：将制备了第一层金刚石膜3的工件从钼模Ⅰ1取出，再放入外径为65mm、高度10mm，凹槽直径60.1mm、深度5.7mm的钼模Ⅱ4中，然后在放置在双辉等离子体渗金属装置中的基台上，在金刚石膜表面均匀摆放一层晶体取向为（100）、晶粒度为0.4～0.5mm的高温高压法生产的金刚石颗粒5，颗粒之间的距离控制在2~3mm，使用双辉等离子体渗金属法，以直径为80mm、纯度为99.999%的金属(Ti、W、Mo、Cr、Nb、Zr、Ta、Hf等)靶材作为源极材料在第一层金刚石膜3表面制备金属层6；
其工艺条件为：使用直流偏压电源作为源极电源，电压控制在550~850V；单极脉冲偏压电源作为阴极电源，电压控制在300~650V；使用氩气作为保护气体和等离子体激发气体，其流量为60~80sccm；基片温度变化范围为800~900℃，腔室压力为30~45Pa，金属层制备时间为15~20h，随炉冷却时间为2h；金属层6的厚度控制在0.4-0.6mm；
如图3所示，表示在金刚石膜上制备金属层的剖视示意图；
将制备了金属层6的工件从钼模Ⅱ4中取出后，使用600#或800#砂纸打磨金属层6表面使金刚石颗粒5表面露出，如图4所示，表示金属层表面处理的剖视示意图；
（3）制备第二层金刚石膜：使用3~5μm的金刚石粉对金属层6表面、侧面以及硅圆片2边缘轻轻研磨，然后用去离子水和丙酮分别超声清洗15~20min，并用热风吹干，然后放置在微波等离子体CVD金刚石装置的基台上制备第二层金刚石膜7；
使用工艺参数为：微波功率：4~5kW，压强：5~6kPa，基片温度：750~900℃，CH4：H2=1~1.5%，气体总流量：200~500sccm，沉积时间：90~120h，金刚石膜厚控制在0.16±0.05mm；
如图5所示，表示制备第二层金刚石膜的剖视示意图；
（4）去硅基片处理：使用体积比为1:3的氢氟酸和硝酸混合溶液将硅圆片2腐蚀掉，以获得金刚石/金属复合片；
如图6所示，表示去除硅圆片2后的金刚石/金属复合片剖视示意图；
（5）切边及抛光：使用激光切割方法将第二层金刚石膜7超出第一层金刚石膜3下表面的部分切除，使用目前常用的金刚石膜的抛光方法将第二层金刚石膜7的上表面和第一层金刚石膜3下表面抛光，总厚度控制在0.7-0.8mm，优选0.7mm；
如图7所示，表示切边并双面抛光后的金刚石/金属复合片剖视示意图；
（6）切割成型：使用激光切割方法将金刚石/金属复合片切割成长52mm，厚0.7mm， 宽0.2mm的杆状；如图1所示。
Claims (6)
1.一种金刚石/金属复合材料夹持杆的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备第一层金刚石膜：使用厚度为3～5mm硅圆片作为基片，用金刚石粉研磨其表面，然后用去离子水和丙酮分别超声清洗，并用热风吹干，再采用CVD方法在硅圆片上制备第一层金刚石膜并控制膜的厚度；
（2）制备金属层：首先在第一层金刚石膜表面上均匀的摆放一层高温高压法生产的金刚石颗粒，然后采用双辉等离子体渗金属技术在金刚石膜表面制备一层金属层；
（3）制备第二层金刚石膜：使用砂纸打磨金属层表面致金刚石颗粒表面露出，再使用金刚石粉研磨金属层表面、边缘以及硅片边缘，分别使用去离子水和丙酮溶液对复合片进行超声清洗，并用热风吹干，采用CVD方法在金属层表面和边缘以及硅圆片周边制备第二层金刚石膜，控制膜的厚度；
（4）去硅基片处理：使用体积比为1:3的氢氟酸和硝酸混合溶液将硅基片腐蚀掉，以获得金刚石/金属复合材料圆片；
（5）切边及抛光：使用激光切割方法将酸腐蚀后超出平面的部分切除，并将圆片进行双面研磨和抛光；
（6）切割成型：使用激光切割方法将复合材料圆片切割成最终所需的夹持杆。
2.根据权利要求1所述的金刚石/金属复合材料夹持杆的制造方法，其特征在于，所述的CVD方法为直流电弧等离子体喷射CVD法或者微波等离子体CVD法。
3.根据权利要求1所述的金刚石/金属复合材料夹持杆的制造方法，其特征在于，步骤（1）中所述的用热风吹干的硅圆片要放置在钼模中，然后采用CVD方法在硅圆片上制备第一层金刚石膜后从钼模中取出，放置在凹槽深度较深的另一钼模中，然后制备金属层。
4.根据权利要求1所述的金刚石/金属复合材料夹持杆的制造方法，其特征在于，所述的夹持杆形状为矩形截面长条杆状。
5.根据权利要求1所述的金刚石/金属复合材料夹持杆的制造方法，其特征在于，所述的金刚石颗粒所具晶体取向为(100)。
6.根据权利要求1所述的金刚石/金属复合材料夹持杆的制造方法，其特征在于，步骤（3）中所述的第二层金刚石膜和第一层金刚石膜相互连接，并将金属层整体包裹起来。
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