CN111517803A - 一种微波磁控管用陶瓷支持体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微波磁控管用陶瓷支持体及其制备方法，涉及金属化陶瓷加工技术领域。本发明公开的微波磁控管用陶瓷支持体，包括陶瓷基体和金属化层，其中陶瓷基体用碳化硅‑三唑硅烷‑氮化铝网状基体、高炉矿渣、分散剂和除泡剂等原料，经碳化硅‑三唑硅烷‑氮化铝网状覆膜基体的制备、混料、造粒和烧结等步骤而制成；金属化层原料包括钛粉、铜粉、黏土和粘结剂，并公开了用金属化层和陶瓷基体组成的陶瓷支持体的制备方法。本发明提供的微波磁控管用陶瓷支持体，具有高的致密度和抗拉强度，具有优异的抗拉强度、韧性、耐高温性能和热导性，并能降低原料成本，达到节能环保的目的。

Description

一种微波磁控管用陶瓷支持体及其制备方法
技术领域
本发明属于金属化陶瓷加工技术领域，尤其涉及一种微波炉中磁控管上用于陶瓷支持体及其制备方法。
背景技术
随着科技的发展，磁控管被广泛应用于电子、电力、化工等领域，作为其核心部件之一的陶瓷支持体的需求量呈逐年增长的趋势。目前，微波磁控管上所用的陶瓷支持体是由金属化陶瓷管构成，而在金属化处理过程中应用的材料主要有三氧化二铝、二氧化硅、碳化硅、氮化硅等，其中应用最广泛的材料主要是三氧化二铝，然后对陶瓷进行金属化处理，因此，金属层与陶瓷基体需具有良好的润湿性。现有的氧化铝陶瓷支持体中，其氧化铝含量在95％以上，其氧化铝陶瓷韧性差，易断裂，并且与金属层的封接强度不理想；且氧化铝的陶瓷热导率较低，仅为15W/m·K～20W/m·K，随着现在集成电路的功率密度不断增加，散热问题已成为微波磁控管设计和制造上必须解决的关键问题，而传统的氧化铝陶瓷不能满足此需求。
氮化铝陶瓷是以[AlN4]四面体为结构单元的共价键化合物，具有纤锌矿型结构，分解温度高达2450℃，在2000℃以内的高温非氧化物气氛中，稳定性极好，其抗热震性也非常好。氧化铝陶瓷具有低原子量、原子间键结强、晶体结构简单、晶格振荡谐和性高等特点，因而具有极高的热导率，其热导率可达150W/m·K～200W/m·K，约为氧化铝陶瓷的10倍，且热膨胀系数小，与硅接近。氮化铝陶瓷具有不受铝和其它熔融金属以及砷化镓侵蚀特性，具有良好的耐侵蚀性，良好的电绝缘性和介电性质。氮化铝陶瓷的机械性能好，抗折强度高于氧化铝陶瓷和氧化铍陶瓷，其是一种性能优异的高温绝缘的结构陶瓷材料，己实现在电子器件、光学器件、高温材料、耐磨材料等方面的应用。
然而，氮化铝在潮湿的气氛下易水解和在高温环境下易氧化，影响了氮化铝陶瓷的制备和使用，导致氧化铝陶瓷的热导性降低，影响氮化铝陶瓷与金属的封接效果。由于氮化铝陶瓷对大多数熔融金属(如Al、Cu、Ag、Pb等)有很好的耐侵蚀性，则氮化铝陶瓷与金属之间的界面润湿性差，结合强度低，因此，氮化铝陶瓷很少用于微波磁控管陶瓷支持体上。
现有的氮化铝陶瓷中烧结助剂一般采用高纯的金属氧化物，高纯的金属氧化物制备方法复杂，成本较高，致使氮化铝陶瓷的制备成本也相应的增高。氮化铝陶瓷表面金属化一般包括直接覆铜法、活性封接法、厚膜法与薄膜法等。传统的做法大都采用活性封接法，以Mo、MnO、Al2O3、SiO2和CaO等金属化原料，乙醇、松油醇和乙基纤维素按重量比为6:24:1配成有机溶剂，然后在一定条件下烧结的得到Mo-Mn金属化层。但该金属化层常存在鼓泡、结合强度不高等缺陷，很难保证陶瓷金属化层的气密性和有效封接。现有的金属化原料一般采用高纯的金属氧化物，其制备成本较高，从而也增高的金属化陶瓷的制造成本。
中国发明专利CN103762181B公开了氧化铝覆铜陶瓷基板的制备方法，该方法是通过在预氧化的氧化铝的氮化铝与铜片之间添加一种含铜氧化物的金属改性层，从而使氮化铝与铜片之间紧密结合，有效解决了AlN-DBC表面气泡问题。但该氮化铝陶瓷与金属化的封接效果并不能达到微波磁控管陶瓷支持体的封接需求，氮化铝陶瓷高温下易氧化的问题也未解决。
发明内容
本发明提供了一种金属化陶瓷及其制备方法，用于微波磁控管的陶瓷支持体上，主要目的是提供了一种高导热性的金属化陶瓷，提高了陶瓷基体与金属化层间的封接强度，解决了氮化铝陶瓷高温下易氧化的问题，降低了制备成本。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种微波磁控管用陶瓷支持体，包括陶瓷基体和金属化层，所述陶瓷基体是由以下重量份数的原料制备：碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状基体75～90份、高炉矿渣5～20份、分散剂3～5份和除泡剂1～3份，所述分散剂、除泡剂分别为六偏磷酸钠、烷基硅油；
所述陶瓷基体的制备方法，依次包括以下步骤：
A1、碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状覆膜基体的制备：
将氮化铝陶瓷粉末置于5％氧气气氛中，于1000℃氧化30min，在氮化铝陶瓷表面得到氧化铝膜，制得氧化后的氮化铝陶瓷；
室温下向1-苯基-3-羟基-1,2,4-三唑和乙酸乙酯100mL的混合溶液中添加15％乙醇钠溶液，加热至70～90℃并搅拌0.5-1h，然后添加3-氯丙基三甲氧基硅烷，在50～70℃搅拌10h，反应完成后，冷却至室温，过滤，滤饼用2％NaHCO3溶液和去离子水清洗至中性，干燥，即得三唑硅烷化合物；所述1-苯基-3-羟基-1,2,4-三唑、乙醇钠溶液和3-氯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:(1～2):(1～2)。
将碳化硅粉末和上述制备的三唑硅烷化合物浸渍在1mol/L的NaOH溶液中，在50～60℃下浸渍6～8h，经过滤，干燥，得到表面改性的碳化硅，所述碳化硅粉末和三唑硅烷化合物的质量比为1:(2～3)；
将氧化后的氮化铝和表面改性的碳化硅混合，在惰性气氛下，压力为5～10MPa，温度为80～120℃下反应6～8h，制得碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状覆膜基体，所述表面改性的碳化硅与氧化后的氮化铝的质量比为1:(7～10)；
A2、混料：将上述重量份数的高炉矿渣在120℃下干燥1～2h后，球磨5～10h，制得平均粒径为2～3μm的高炉矿渣颗粒；将高炉矿渣颗粒、分散剂添加到步骤A1中制得的碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状覆膜基体中搅拌0.5～1h，然后加入除泡剂和剂料比为3:1的无水乙醇混合2～3h得浆料，高速球磨10～12h后得浆料；
A3、造粒：将研磨后的浆料于干燥箱中70～80℃下干燥1h，然后用有机溶剂喷雾干燥机加工成平均粒径为20～40μm的颗粒状陶瓷粉末，备用；
A4、烧结：将步骤A3所得的陶瓷粉末装入热压模具中，以氮气为保护气，在1700～1850℃进行常压烧结，保温时间为4～6h，随炉冷却至室温后取出，然后在平面磨床上抛光，制得待金属化的陶瓷基体。
进一步的，所述步骤A2中高炉矿渣的球磨速率为360r/min，球料比为12:1。
进一步的，所述步骤A2浆料的球磨过程中，球磨速率为240r/min，球料比为10:1。
一种如上述微波磁控管用陶瓷支持体的制备方法，其特征在于，所述陶瓷支持体的制备方法包括以下步骤：
B1、黏土预处理：将黏土在100℃下干燥2～4h后，球磨4～6h，制得平均粒径为2～3μm的黏土颗粒；
B2、金属化膏的制备：称取钛粉8～20份、铜粉60～70份、黏土颗粒10～20份和粘结剂1～3份，将钛粉、铜粉、黏土颗粒和粘结剂一起混合均匀，制得金属化膏；
B3、丝印：将权利要求1中制得的待金属化的陶瓷基体表面用无水乙醇进行超声清洗，然后将金属化膏采用丝网印刷的方法均匀地涂覆在陶瓷基体两端的待处理面，其中金属化膏的印刷厚度为40～50μm；
B4、金属化处理：上述制备的涂覆有金属化膏的陶瓷基体在真空或惰性气体保护下烧结，烧结温度为1100～1200℃，烧结保温时间为1～2h,即得本发明的微波磁控管用陶瓷支持体。
进一步的，所述步骤B2中粘结剂是按照松油醇：聚乙烯醇＝2:(1～3)的重量比例混合而成。
本发明取得了以下有益效果：
1、本发明六偏磷酸钠属于阴离子型亲水基表面活性剂，六偏磷酸钠在水中，会电离形成阴离子，被高炉矿渣中的氧化物表面所吸附，使得氧化物分子与水接触的界面上形成双电层，氧化物由于表面吸附阴离子，故带负电荷。带有同种电荷的氧化物间受到静电斥力的作用，阻止了粒子间的相互聚集，从而提升氧化物的分散效果。
2、本发明采用烷基硅油作为除泡剂，用于解决氮化铝陶瓷在高温烧结时产生的气泡，提高陶瓷基体的致密性和导热性，去除了陶瓷基体与金属化层间产生的气泡，从而提高了陶瓷基体与金属化层间的封接强度。
3、本发明采用高炉矿渣作为烧结助剂，高炉矿渣的主要成分为CaO、SiO2、Al2O3、MgO、TiO2、Fe2O3等氧化物，高炉矿渣中的氧化物进行高温烧结时形成玻璃相，有助于晶界扩散和迁移，则以高炉矿渣作为烧结助剂对陶瓷基体的致密度及力学性能有显著的提升。另外，高炉矿渣作为高炉炼铁过程产生的一种工业副产物，产量大，对生态环境产生巨大的负担，而本发明中高炉矿渣的应用，其在改善陶瓷性能的基础上，还降低了原料成本和能耗成本，达到节能环保的作用。
4、本发明金属化膏中钛粉具有很强的化学活泼性，对黏土中氧化硅、氧化镁、氧化铝等氧化物具有很大的亲和力。钛粉很容易在烧结温度下，与黏土中的氧化物形成液相活性合金渗透至陶瓷基体表面，形成很致密均匀的金属层，从而使陶瓷基体与金属层进行高强度高气密性的封接，大大提高了陶瓷基体的润湿性。
5、本发明金属化膏中黏土进行高温烧结时，黏土中低共熔物质开始熔化，形成液相，液相填充在铜粉颗粒和黏土中未熔颗粒之间，由于液相表面张力的作用，使得固体颗粒进一步靠拢，引起体积急剧收缩，气孔率下降，密度提高，增强了金属化膏的致密度。另外，黏土的来源广，价格低，降低了本发明的原料成本。
6、本发明利用三唑硅烷将碳化硅粉末作用在氮化铝陶瓷中，制得碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状覆膜基体，其中三唑硅烷中的三唑环与碳化硅和氮化铝相互作用形成化学键，三唑硅烷中的烷氧基甲硅烷与氧化铝化学键合，形成网状结构，并且使碳化硅在氮化铝的表面化学转化覆膜，形成一层碳化硅层，保护氮化铝陶瓷在高温下不被氧化，常温下不易被水解；并且，由于碳化硅粉末具有高导热性，则其覆膜在氮化铝陶瓷表面，使本发明具有高导热性；该网状结构有利于陶瓷基体的致密化，大大提高了陶瓷基体的耐温性能和力学性能；碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状覆膜基体中的三唑硅烷成分可作为陶瓷基体的粘结剂，使高炉矿渣在分散剂的作用下，均匀分散在碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状覆膜基体的网状结构中，并通过三唑硅烷的作用形成致密的陶瓷基体，并使陶瓷基体具有良好的柔韧性，弯曲强度进一步提高；
7、金属化层在烧结过程中，钛粉和黏土中的氧化物形成玻璃相，玻璃相向铜粉颗粒中迁移，使铜粉调整位置，重新达到紧密排布，致使金属化层的致密度高；同时金属化层中的玻璃相因表面张力的作用，带动铜粉渗透到陶瓷基体中，且陶瓷基体的网络结构能使金属化层的玻璃相更易往陶瓷基体中迁移，加强了陶瓷基体与金属化层的连接，增强了陶瓷基体的润湿性；高炉矿渣中的氧化物高温下易与黏土中的氧化硅、氧化硅等氧化物反应，进一步提高了陶瓷基体对该金属化层的润湿性。
8、本发明采用碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状覆膜基体，并使高炉矿渣作为烧结助剂，得到致密度高的陶瓷基体，具有高导热性，优异的弯曲性、断裂韧性、绝缘性和耐高温性能，且降低了原料成本；采用钛粉、铜粉、黏土等作为金属化膏对本发明的陶瓷基体进行金属化处理制得的陶瓷支持体，具有很好的致密性，并因金属化膏与本发明的陶瓷基体有很好的封接效果，致使其抗拉强度高，耐高温性能优异，且降低了原料成本，达到节能环保的目的。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合具体实施例对本发明的微波磁控管用陶瓷支持体及其制备方法予以说明。
实施例1：微波磁控管用陶瓷支持体包括陶瓷基体和金属化层，其中陶瓷基体及其制备方法
陶瓷支持体中陶瓷基体按重量份数的原料配方组分：碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状基体75份、高炉矿渣20份、分散剂3份和除泡剂2份。其中，分散剂为六偏磷酸钠，除泡剂为烷基硅油。
按照上述配方组分的陶瓷基体的制备方法，包括以下步骤：
A1、碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状覆膜基体的制备：
将氮化铝陶瓷粉末置于5％氧气气氛中，于1000℃氧化30min，在氮化铝陶瓷表面得到氧化铝膜，制得氧化后的氮化铝陶瓷。
室温下向1-苯基-3-羟基-1,2,4-三唑和乙酸乙酯100mL的混合溶液中添加15％乙醇钠溶液，加热至70～90℃并搅拌0.5-1h，然后添加3-氯丙基三甲氧基硅烷，在50～70℃搅拌10h，反应完成后，冷却至室温，过滤，滤饼用2％NaHCO3溶液和去离子水清洗至中性，干燥，即得三唑硅烷化合物。其中，三唑硅烷化合物为1-苯基-3-羟基-2-[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-1,2,4三唑；原料按质量比为1-苯基-3-羟基-1,2,4-三唑：乙醇钠溶液：3-氯丙基三甲氧基硅烷＝1:1:1。
将碳化硅粉末和上述制备的三唑硅烷化合物浸渍在1mol/L的NaOH溶液中，在50～60℃下浸渍6～8h，经过滤，干燥，得到表面改性的碳化硅。其中，碳化硅粉末和三唑硅烷化合物的质量比为1:2。
将氧化后的氮化铝和表面改性的碳化硅混合，在惰性气氛下，压力为5～10MPa，温度为80～120℃下反应6～8h，制得碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状覆膜基体。其中，表面改性的碳化硅与氧化后的氮化铝的质量比为1:7。
A2、混料：将上述重量份数的高炉矿渣在120℃下干燥1～2h后，球磨5～10h，其球磨速率为360r/min，球料比为12:1，制得平均粒径为2～3μm的高炉矿渣颗粒。
将高炉矿渣颗粒、六偏磷酸钠添加到步骤A1中制得的碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状覆膜基体中搅拌0.5～1h，然后加入烷基硅油和剂料比为3:1的无水乙醇混合2～3h，以球磨速率为240r/min，球料比为10:1，球磨10～12h后得浆料。
A3、造粒：将研磨后的浆料于干燥箱中70～80℃下干燥1h，然后用有机溶剂喷雾干燥机加工成平均粒径为20～40μm的颗粒状陶瓷粉末，备用。
A4、烧结：将步骤A3所得的陶瓷粉末装入热压模具中，以氮气为保护气，在1700～1850℃进行常压烧结，保温时间为4～6h，随炉冷却至室温后取出，然后在平面磨床上抛光，制得待金属化的陶瓷基体。
实施例2：微波磁控管用陶瓷支持体包括陶瓷基体和金属化层，其中陶瓷基体及其制备方法
陶瓷支持体中陶瓷基体按重量份数的原料配方组分：碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状基体77份、高炉矿渣15份、六偏磷酸钠5份和烷基硅油3份。
实施例2中陶瓷基体的制备方法与实施例1中相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，A1步骤中，1-苯基-3-羟基-1,2,4-三唑、乙醇钠溶液、3-氯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:1:2，碳化硅粉末和三唑硅烷化合物的质量比为1:2，表面改性的碳化硅与氧化后的氮化铝的质量比为1:7。
实施例3：微波磁控管用陶瓷支持体包括陶瓷基体和金属化层，其中陶瓷基体及其制备方法
陶瓷支持体中陶瓷基体按重量份数的原料配方组分：碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状基体83份、高炉矿渣12份、六偏磷酸钠4份和烷基硅油1份。
实施例3中陶瓷基体的制备方法与实施例1中相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，A1步骤中，1-苯基-3-羟基-1,2,4-三唑、乙醇钠溶液、3-氯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:2:1，碳化硅粉末和三唑硅烷化合物的质量比为1:3，表面改性的碳化硅与氧化后的氮化铝的质量比为1:8。
实施例4：微波磁控管用陶瓷支持体包括陶瓷基体和金属化层，其中陶瓷基体及其制备方法
陶瓷支持体中陶瓷基体按重量份数的原料配方组分：碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状基体90份、高炉矿渣5份、六偏磷酸钠3份和烷基硅油2份。
实施例4中陶瓷基体的制备方法与实施例1中相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，A1步骤中，1-苯基-3-羟基-1,2,4-三唑、乙醇钠溶液、3-氯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:2:2，碳化硅粉末和三唑硅烷化合物的质量比为1:2.5，表面改性的碳化硅与氧化后的氮化铝的质量比为1:9。
实施例5：微波磁控管用陶瓷支持体中金属化层的组成以及陶瓷支持体的制备方法
金属化膏按重量份数的原料配方组分：钛粉8份、铜粉75份、黏土颗粒15份和粘结剂2份，其中粘结剂是按照松油醇：聚乙烯醇＝2:1的重量比例混合而成。
微波磁控管用陶瓷支持体的制备方法，包括以下步骤：
B1、黏土预处理：将黏土在100℃下干燥2～4h后，球磨4～6h，制得平均粒径为2～3μm的黏土颗粒；
B2、金属化膏的制备：称取上述重量份数的钛粉、铜粉、黏土颗粒和粘结剂一起混合均匀，制得金属化膏；
B3、丝印：将实施例1中制得的待金属化的陶瓷基体表面用无水乙醇进行超声清洗，然后将金属化膏采用丝网印刷的方法均匀地涂覆在陶瓷基体两端的待处理面，其中金属化膏的印刷厚度为40～50μm；
B4、金属化处理：上述制备的涂覆有金属化膏的陶瓷基体在真空或惰性气体保护下烧结，烧结温度为1100～1200℃，烧结保温时间为1～2h,即得本发明的微波磁控管用陶瓷支持体C1。
实施例6：微波磁控管用陶瓷支持体中金属化层的组成以及陶瓷支持体的制备方法
金属化膏按重量份数的原料配方组分：钛粉12份、铜粉70份、黏土颗粒17份和粘结剂1份，其中粘结剂是按照松油醇：聚乙烯醇＝1:1的重量比例混合而成。
微波磁控管用陶瓷支持体的制备方法，包括以下步骤：
B1、黏土预处理：与实施例5中B1步骤相同，制得黏土颗粒；
B2、金属化膏的制备：将上述重量份数的钛粉、铜粉、黏土颗粒和粘结剂一起混合均匀，制得金属化膏；
B3、丝印：将实施例2中制得的待金属化的陶瓷基体表面用无水乙醇进行超声清洗，然后将金属化膏采用丝网印刷的方法均匀地涂覆在陶瓷基体两端的待处理面，其中金属化膏的印刷厚度为40～50μm；
B4、金属化处理：上述制备的涂覆有金属化膏的陶瓷基体在真空或惰性气体保护下烧结，烧结温度为1100～1200℃，烧结保温时间为1～2h,即得本发明的微波磁控管用陶瓷支持体C2。
实施例7：微波磁控管用陶瓷支持体中金属化层的组成以及陶瓷支持体的制备方法
金属化膏按重量份数的原料配方组分：钛粉17份、铜粉60份、黏土颗粒20份和粘结剂3份，其中粘结剂是按照松油醇：聚乙烯醇＝2:3的重量比例混合而成。
微波磁控管用陶瓷支持体的制备方法，包括以下步骤：
B1、黏土预处理：与实施例5中B1步骤相同，制得黏土颗粒；
B2、金属化膏的制备：将上述重量份数的钛粉、铜粉、黏土颗粒和粘结剂一起混合均匀，制得金属化膏；
B3、丝印：将实施例3中制得的待金属化的陶瓷基体表面用无水乙醇进行超声清洗，然后将金属化膏采用丝网印刷的方法均匀地涂覆在陶瓷基体两端的待处理面，其中金属化膏的印刷厚度为40～50μm；
B4、金属化处理：上述制备的涂覆有金属化膏的陶瓷基体在真空或惰性气体保护下烧结，烧结温度为1100～1200℃，烧结保温时间为1～2h,即得本发明的微波磁控管用陶瓷支持体C3。
实施例8：微波磁控管用陶瓷支持体中金属化层的组成以及陶瓷支持体的制备方法
金属化膏按重量份数的原料配方组分：钛粉20份、铜粉68份、黏土颗粒10份和粘结剂2份，其中粘结剂是按照松油醇：聚乙烯醇＝1:1的重量比例混合而成。
微波磁控管用陶瓷支持体的制备方法，包括以下步骤：
B1、黏土预处理：与实施例5中B1步骤相同，制得黏土颗粒；
B2、金属化膏的制备：将上述重量份数的钛粉、铜粉、黏土颗粒和粘结剂一起混合均匀，制得金属化膏；
B3、丝印：将实施例4中制得的待金属化的陶瓷基体表面用无水乙醇进行超声清洗，然后将金属化膏采用丝网印刷的方法均匀地涂覆在陶瓷基体两端的待处理面，其中金属化膏的印刷厚度为40～50μm；
B4、金属化处理：上述制备的涂覆有金属化膏的陶瓷基体在真空或惰性气体保护下烧结，烧结温度为1100～1200℃，烧结保温时间为1～2h,即得本发明的微波磁控管用陶瓷支持体C4。
对实施例5-8制得的微波磁控管用陶瓷支持体进行抗拉强度检测，其检测方法如下：
抗拉强度检测采用三点法，即在陶瓷支持体管壳一个端面均匀取三点，分别在其上放置一Ф3mm厚0.1mm的银铜焊料片，再用夹具分别将三根Ф3mm×30mm的铁镍钴瓷封合金杆垂直、平稳的压在焊料片上，放入真空钎焊炉中进行钎焊，最后将封接好的测试件在材料试验机上进行拉力测试，通过公式E＝10P/F计算出抗拉强度数值，其中:E--抗拉强度(MPa)，P--拉断时的力(KN)，F--试样的封接面积cm2。测试设备为CSS-44100万能材料试验机。
上述实施例5-8所得陶瓷支持体与发明专利CN103741141A公开的一种氮化铝陶瓷板金属化的方法制备的金属化氮化铝陶瓷相比，其抗拉强度对比检测结果见表1。
表1陶瓷支持体的抗拉强度检测结果
C1 C2 C3 C4 对比项
抗拉强度(MPa) 176 182 185 175 148
对实施例1-4中的陶瓷基体进行致密度、弯曲强度和断裂韧性的测试。
(1)陶瓷基体致密度的测试方法：
体积密度的测试：
1)将待测试样置于100±5℃烘箱中干燥直至衡重，用分析天平称量待测试样室温下的干重m1，精确到0.001g；
2)将步骤1)称量后的待测试样放入沸水中煮沸不少于3h，且煮沸过程中使试样始终处于液面以下，冷却到室温后，用分析天平称量待测试样在水中的浮重m2，精确到0.001g；
3)将步骤2)称量后的待测试样从水中取出，用纱布将试样表面的水擦干，然后迅速称量待测试样的湿重m3，精确到0.001g。
4)重复上述步骤各3次取均值。
陶瓷基体的体积密度ρs按公式K＝m1ρw/(m3-m2)计算，式中：m1为试样干燥后的重量(g)；m2为试样充分吸水后在水中的浮重(g)；m3为试样充分吸水后在空气中的重量(g)；ρw为水的密度，取1.0g/cm3。
陶瓷基体的理论密度ρth按公式ρth＝1/Σ(wi/ρi)计算，式中：wi为第i组分的重量百分比；ρi第i组分的理论密度(g/cm3)。
陶瓷基体的致密度，即相对密度ρr按公式ρr＝ρs/ρth计算。
(2)陶瓷基体的弯曲强度，采用三点弯曲法测定：
1)将制得的陶瓷试样，在平面磨床磨双面打磨至4mm左右；
2)利用内圆切割机将试样加工成尺寸为3×4×36mm的长方体样条，再利用金刚石研磨膏磨倒角；
3)采用型号为YRWT-D型微机控制电子万能实验机进行测试。测试条件为跨距20mm，加载速度为0.5mm/min，垂直加压。陶瓷的弯曲强度σf按公式σf＝3FL/2bd2计算，式中：σf为计算的陶瓷弯曲强度(MPa)；b为测试样条的宽度(mm)；L为设定的试验机跨距(mm)；d为测试样条的高度(mm)；F为陶瓷试样断裂时的试验机显示的加载力(N)。
同一陶瓷试样，准备3根样条，测试后取平均值作为其弯曲强度
(3)陶瓷基体的断裂韧性，采用三点弯曲法测试：
1)将烧结后的陶瓷试样，在平面磨床上双面平磨至4mm左右，以金刚石研磨膏精密抛光；
2)利用内圆切割机将试样加工成尺寸为3×4×40mm的长方体样条，金刚石研磨膏磨倒角；
3)利用金刚石内圆切割机在样条平行于外力加载方向上加工宽度约0.22mm，深度1.4-1.6mm的切口；
4)采用型号为YRWT-D型微机控制电子万能实验机进行测试，跨距为20mm，加载速度为0.05mm/min，试样的断裂韧性下列公式计算。
Figure BDA0002466508810000141
式中：KIC为陶瓷试样的断裂韧性(MPa.m1/2)；a为样条切口深度(mm)；b为样条的宽度(mm)；w为样条的高度(mm)；P为样条断裂时施加的负载(N)；L为设定的试验机跨距(mm)。
同一试样，准备3根样条，测试后取平均值作为其断裂韧性值。
(4)陶瓷基体的热导率测试方法
本发明通过热分析仪测试经打磨抛光后的样品的热扩散系数，然后通过公式λ＝α·ρ·CP，其中λ为热导率，α为热扩散系数，ρ为样品密度，由阿基米德法测得，CP为样品比热。
上述实施例1-4所得陶瓷基体的致密度、弯曲强度、断裂韧性与发明专利CN103741141A中的金属化氮化铝陶瓷相比，其对比试验结果见表2。
表2陶瓷基体性能的对比试验结果表
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 对比项
致密度(％) 93.4 95.2 95.7 94.8 82.4
弯曲强度(MPa) 201 210 216 209 162
断裂韧性(MPa.m<sup>1/2</sup>) 1.7 2.0 1.9 2.1 1.3
热导率(W/(m·K)) 179 185 186 180 160
根据以上实施例1-8的对比试验结果，可以看出，陶瓷支持体的抗拉强度高，即陶瓷基体与金属化层之间具有很好的封接效果，陶瓷基体的润湿性能好；陶瓷基体的致密度高，弯曲强度和断裂韧性值较高，即陶瓷基体得致密度和力学性能很好，适合作为微波磁控管中的陶瓷支持体基体材料；陶瓷基体具有极高的热导率，能从上材料上解决微波磁控管一定程度的散热问题，节约成本。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微波磁控管用陶瓷支持体，包括陶瓷基体和金属化层，其特征在于，所述陶瓷基体是由以下重量份数的原料制备：碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状基体75～90份、高炉矿渣5～20份、分散剂3～5份和除泡剂1～3份，所述分散剂、除泡剂分别为六偏磷酸钠、烷基硅油；
所述陶瓷基体的制备方法，依次包括以下步骤：
A1、碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状覆膜基体的制备：
将氮化铝陶瓷粉末置于5％氧气气氛中，于1000℃氧化30min，在氮化铝陶瓷表面得到氧化铝膜，制得氧化后的氮化铝陶瓷；
室温下向1-苯基-3-羟基-1,2,4-三唑和乙酸乙酯100mL的混合溶液中添加15％乙醇钠溶液，加热至70～90℃并搅拌0.5-1h，然后添加3-氯丙基三甲氧基硅烷，在50～70℃搅拌10h，反应完成后，冷却至室温，过滤，滤饼用2％NaHCO3溶液和去离子水清洗至中性，干燥，即得三唑硅烷化合物；所述1-苯基-3-羟基-1,2,4-三唑、乙醇钠溶液和3-氯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:(1～2):(1～2)。
将碳化硅粉末和上述制备的三唑硅烷化合物浸渍在1mol/L的NaOH溶液中，在50～60℃下浸渍6～8h，经过滤，干燥，得到表面改性的碳化硅，所述碳化硅粉末和三唑硅烷化合物的质量比为1:(2～3)；
将氧化后的氮化铝和表面改性的碳化硅混合，在惰性气氛下，压力为5～10MPa，温度为80～120℃下反应6～8h，制得碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状覆膜基体，所述表面改性的碳化硅与氧化后的氮化铝的质量比为1:(7～10)；
A2、混料：将上述重量份数的高炉矿渣在120℃下干燥1～2h后，球磨5～10h，制得平均粒径为2～3μm的高炉矿渣颗粒；将高炉矿渣颗粒、分散剂添加到步骤A1中制得的碳化硅-三唑硅烷-氮化铝网状覆膜基体中搅拌0.5～1h，然后加入除泡剂和剂料比为3:1的无水乙醇混合2～3h得浆料，高速球磨10～12h后得浆料；
A3、造粒：将研磨后的浆料于干燥箱中70～80℃下干燥1h，然后用有机溶剂喷雾干燥机加工成平均粒径为20～40μm的颗粒状陶瓷粉末，备用；
A4、烧结：将步骤A3所得的陶瓷粉末装入热压模具中，以氮气为保护气，在1700～1850℃进行常压烧结，保温时间为4～6h，随炉冷却至室温后取出，然后在平面磨床上抛光，制得待金属化的陶瓷基体。
2.根据权利要求1所述微波磁控管用陶瓷支持体，其特征在于，所述步骤A2中高炉矿渣的球磨速率为360r/min，球料比为12:1。
3.根据权利要求1所述微波磁控管用陶瓷支持体，其特征在于，所述步骤A2浆料的球磨过程中，球磨速率为240r/min，球料比为10:1。
4.一种如权利要求1-3所述其中任一项的微波磁控管用陶瓷支持体的制备方法，其特征在于，所述陶瓷支持体的制备方法包括以下步骤：
B1、黏土预处理：将黏土在100℃下干燥2～4h后，球磨4～6h，制得平均粒径为2～3μm的黏土颗粒；
B2、金属化膏的制备：称取钛粉8～20份、铜粉60～70份、黏土颗粒10～20份和粘结剂1～3份，将钛粉、铜粉、黏土颗粒和粘结剂一起混合均匀，制得金属化膏；
B3、丝印：将权利要求1中制得的待金属化的陶瓷基体表面用无水乙醇进行超声清洗，然后将金属化膏采用丝网印刷的方法均匀地涂覆在陶瓷基体两端的待处理面，其中金属化膏的印刷厚度为40～50μm；
B4、金属化处理：上述制备的涂覆有金属化膏的陶瓷基体在真空或惰性气体保护下烧结，烧结温度为1100～1200℃，烧结保温时间为1～2h,即得本发明的微波磁控管用陶瓷支持体。
5.根据权利要求4所述的一种微波磁控管用陶瓷支持体的制备方法，其特征在于，所述步骤B2中粘结剂是按照松油醇：聚乙烯醇＝2:(1～3)的重量比例混合而成。
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