JP4410479B2 - 電磁波吸収体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電率と損失係数を変数とする誘電特性の制御性に優れた電磁波吸収体に関する。
【0002】
【従来の技術】
高周波、特にマイクロ波帯領域の電磁波吸収体の単一組成材料として炭化珪素が良く知られている。しかし、炭化珪素単体では微量不純物や焼成方法で誘電特性に若干の差が生じるものの、基本的には固有の誘電特性を持ち可変できないことから、近年、誘電率と損失係数をパラメータとする誘電特性を制御する目的で複合誘電体材料を使うことが多くなっている。
【0003】
図3は、結合空胴型進行波管の部分断面を示したものである。キャビティ3の同調棒2には不要周波数を抑制するために設けられた不要周波数での吸収特性を有する電磁波吸収体1が搭載されている。電磁波吸収体1は、マイクロ波を吸収し加熱された際にも脱ガス量が少ないことや熱伝導性が高いこと、及び所望の誘電特性(誘電率:εr,損失係数:tanδ)を備えていることが要求される。このため、基材として、酸化物の中で最も熱伝導率が高い酸化ベリリウムや酸化マグネシウム或いはこれらの複合材を用いるとともに、電磁波吸収効果のある炭化珪素粒を分散させることによって誘電特性を制御している(例えば、特許文献1参照)。なお、上記の酸化ベリリウムは、極めて有用な材料であるが有害な材料の為、昨今では窒化アルミニウム材が代替材料となりつつある。
【0004】
このような酸化マグネシウムなどの基材に炭化珪素粒を分散させた電磁波吸収体は、炭化珪素粒の濃度により誘電率と損失係数を可変できるものの、誘電率と損失係数の値は一方の値が決まればもう一方の値も一義的に決まるため、誘電率と損失係数の値の組み合わせを任意に選ぶことができず、特性変更が難しいという実用上の使いにくさがあった。
【0005】
そこで、混合させる複数種類の誘電物質のうち一つを金属粒とすることで所望の誘電特性を正確に得られる材料についても提案されており(例えば、特許文献2参照)、この方法を利用して、現在では基材に金属粒と炭化珪素粒を分散させることで、金属粒と炭化珪素粒の組み合わせにより、誘電率と損失係数の値を任意に可変できるようにした材料も開発されている。
【0006】
【特許文献1】
米国特許3765912号公報
【特許文献2】
特開昭58−212006号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、基材に金属粒と炭化珪素粒を分散することで、誘電率と損失係数の値は任意に可変できるようになるものの、大電力のマイクロ波を吸収した場合は、分散させた金属粒周辺で、金属粒と金属粒間の放電や、基材と金属粒との隙間で発生する絶縁破壊による放電などから電界集中が生じ、局所的に過熱され溶融することがあった。また、誘電特性は金属粒の粒度、即ち表面積と強く相関があり、粒度管理も難しいという問題があった。更に、製造工程においても、金属粉末は他の原料粉末よりも比重が大きいために均質な分散が難しく、組成バラツキが大きかった。
【0008】
本発明は上記の問題を解決し、電界集中による過熱を防ぎ、製作が容易で組成バラツキを減少させるとともに、誘電率と損失係数の値を任意に可変させることが出来る電磁波吸収体を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する為に、本発明による電磁波吸収体は、酸化珪素と酸化カルシウムの共晶粉体からなる焼成助材を含む酸化マグネシウムにチタン酸マグネシウム或いはチタン酸カルシウム或いは酸化チタンを混合した基材に、炭化珪素粒を分散させ、前記チタン酸マグネシウム或いはチタン酸カルシウム或いは酸化チタンの濃度が、前記基材に対して0.1〜5wt%、前記炭化珪素粒の濃度が、前記電磁波吸収体に対して2〜30wt%の範囲で混合してあることを特徴とする。
【0010】
上記の様に構成することにより、炭化珪素濃度とチタン酸化合物或いは酸化チタンの濃度の組み合わせで、電磁波吸収体の誘電率(εr)と損失係数(tanδ)の値の組み合わせを連続的に任意に選択することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の電磁波吸収体の実施例でチタン酸マグネシウムと炭化珪素粒の濃度を変化させたときの誘電特性(誘電率:εr,損失係数:tanδ)を示している。電磁波吸収体は、酸化マグネシウム(MgO)及び焼成助材、更に、チタン酸化合物としてチタン酸マグネシウム(TiMgO3)を0.1〜5wt%の濃度で混合した基材に、粒径約45μmの炭化珪素粒(SiC)を2〜30wt%の濃度で分散させたものである。図1の●印はチタン酸マグネシウム濃度が3wt%で炭化珪素の濃度を2〜30%で変えた場合の誘電特性を示しており、▲印及び■印はチタン酸マグネシウム濃度を0.1から5wt%の範囲で可変した場合の誘電特性の上限・下限を示したものである。
【0012】
図1において、例えばチタン酸マグネシウムの濃度を3wt%よりも低くすると、特性曲線は図1の左矢印方向に移動する。また、濃度を3wt%よりも高くすると、特性曲線は図1の右矢印方向に移動する。
【0013】
即ち、チタン酸マグネシウム0.1〜5wt%、炭化珪素2〜30wt%の範囲でそれぞれの濃度を選択することで、誘電率(εr)が10〜20、損失係数(tanδ)が0.001〜0.07の範囲で誘電率と損失係数の値は、任意の組み合わせを得ることができる。しかも、損失係数は誘電率に対して線形性が高く誘電特性の制御が容易である。特に、図3に示す結合空胴型進行波管の電磁波吸収体1で要求される、誘電率10〜14、誘電損失係数0.01〜0.05の範囲はチタン酸マグネシウムと炭化珪素の濃度を制御することで、任意の値の組み合わせを得ることができる。
【0014】
更に、図1は焼成温度1600℃の場合であり、焼成温度を低くした場合は、密度が下がり誘電特性が低下するので特性曲線は左方向に略平行に動く。このようにして、上記の誘電率と誘電損失係数の範囲を連続的に網羅することも可能である。一例として、チタン酸マグネシウム3wt%、炭化珪素5wt%で焼成温度1600℃の時、誘電率12.7、誘電損失係数0.008であるが、1500℃にすると、誘電率10.4、誘電損失係数0.005になる。尚、上記実施例はチタン酸マグネシウムの場合であるが、チタン酸カルシウムなどのチタン酸化合物或いは酸化チタンでも同様の傾向になる。
【0015】
次に、本実施例の製造工程を図2に示す。代表例として、チタン酸マグネシウムを混合した酸化マグネシウム基材に炭化珪素粒を分散させた電磁波吸収体の製造工程を工程順に説明する。
【0016】
第1工程では、チタン酸マグネシウム粉末を濃度0.1〜5wt%の範囲内で、また焼成助材を濃度1wt%で酸化マグネシウム粉末に添加する。更に、純水を加えてスラリー状としボールミルなどの混合機で2時間以上十分に基材原料の混合を行う。ここで、チタン酸マグネシウム濃度を0.1〜5wt%としたのは、0.1wt%に満たないと、その効果は極僅かであり未添加の場合と誘電特性に有意な差がなく、また、5wt%を超えると誘電損失が過大となり実用的でないためである。焼成助材は、酸化マグネシウムの焼結を促進させるため添加するもので、酸化マグネシウムはそれだけでは焼成が難しいことから、焼成助材を用いて焼成工程中に適量の液層を生じさせ、酸化マグネシウム粒界面をぬらして活性にし焼成反応を進めるものである。本実施例では焼成助材に酸化珪素(Si02)と酸化カルシウム(CaO)の共晶粉末(SiO2:CaO=64:36(重量比))を使用する。酸化珪素は炭化珪素粒の表面が酸化した際に生じる不純物であり、酸化カルシウムは酸化マグネシウムの典型的な不純物であり、電磁波吸収体の特性を安定化することからも新たな不純物元素が増えないような材料を焼成助材として選択する。なお、焼成時は、上記の酸化珪素と酸化カルシウムに酸化マグネシウムを加えた3元共晶点で液層を生じる。
【0017】
第2工程では、基材原料の混合が終了したスラリーをスプレードライヤーで乾燥・再紛末化させ、チタン酸マグネシウムを含む酸化マグネシウム基材の原料粉末を得る。次に、第3工程では、基材原料の粉末に炭化珪素粒を分散させる。この分散時に、炭化珪素粒の粒度が変化すると誘電特性のバラツキの要因になるので、粒度変化が生じ難いV式混合機を用いる。さらに、この炭化珪素の粒度は45μm程度が良い。特に、粒度が10μm以下の微粉末となると濃度当たりの粒数が増大し、酸化マグネシウム同士の接触が少なくなり、酸化マグネシウム基材の焼結が阻害される。また、150μmを超える粗粒となると外形加工時にチッピングが生じ易く加工が難しくなる。
【0018】
第4工程では、基材原料の粉末に炭化珪素粒を分散させた粉末にバインダー溶液を加え造粒し、直径100〜200μmの造粒粉末を得る。バインダー材はポリビニルアルコール(PVA)やポリビニルブチラール(PVB)等を用いることができる。次に、第5工程では、この造粒粉末を冷間静水圧プレス(CIP)で圧粉し、成形体を得る。この時の圧力は、2〜4t/cm2とした。
【0019】
第6工程では、この成形体をカーボン製のサヤ(蓋付)に入れ、水素雰囲気で1600℃、30minの焼成を行う。本発明における電磁波吸収体は、焼結時の条件で最もバラツキが出やすいので、焼成ムラを軽減するためにサヤ(蓋付)を用いる。或いは、カーボン製ダイスにセットしてホットプレスを用いても良い。ホットプレスを用いると、比較的低温の1450℃、10minの条件で十分な密度が得られ、良質な電磁波吸収体が得られる。最後に、第7工程で焼成の際にできた電磁波吸収体表層の変質層を研磨加工で除去すると同時に、必要な外形寸法を得るようにする。
【0020】
以上、発明の実施の形態について述べたが、本発明は上記内容に限らず種々の変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、チタン酸化合物としてチタン酸マグネシウムを用いたがチタン酸カルシウムや種々の酸化チタンを用いても良い。また、本発明による電磁波吸収体は、結合空胴型進行波管に限らず、高周波領域、特にマイクロ波領域の電磁波吸収用として種々利用可能である。
【0021】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、酸化マグネシウムを含んだ誘電材料に炭化珪素粒を分散させ誘電率及び損失係数を変数とする誘電特性を制御した電磁波吸収体において、前記誘電材料は、酸化マグネシウムに前記誘電特性を制御するためのチタン酸化合物或いは酸化チタンを混合してあるため、炭化珪素濃度とチタン酸化合物或いは酸化チタンの濃度の組み合わせで、誘電率と損失係数の値の組み合わせを任意に選ぶことができる利点がある。また、製作上においても、チタン酸化合物或いは酸化チタンは焼成により酸化マグネシウム内に拡散してゆくので、均質な混合ができ、誘電特性の再現性が良い。更に、金属粒を拡散させた時のような電界集中も起きない。
【0022】
特に、誘電材料として、酸化マグネシウムに誘電特性を制御するためのチタン酸マグネシウム或いはチタン酸カルシウムを混合させた基材に炭化珪素粒を分散させた電磁波吸収体は、誘電率に対する損失係数の線形性が高く誘電特性の制御が容易である。また、誘電材料中のチタン酸化合物或いは酸化チタンの濃度を0.1〜5wt%の範囲にすることで、誘電損失が過大になるなどの悪影響がなく、誘電特性の制御性に優れた電磁波吸収体が得られる。更に、炭化珪素粒の濃度を2〜30wt%にすることで、誘電率が10〜20、損失係数が0.001〜0.07の範囲で任意の値の組み合わせを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の電磁波吸収体の誘電特性を示す図である。
【図2】本発明の電磁波吸収体の製造工程の一例を示す図である。
【図3】従来例或いは本発明の実施例での電磁波吸収体を搭載した結合空胴型進行波管の部分断面の説明図である。
【符号の説明】
1 電磁波吸収体
2 同調棒
3 キャビティ
Claims (1)
- 酸化珪素と酸化カルシウムの共晶粉体からなる焼成助材を含む酸化マグネシウムにチタン酸マグネシウム或いはチタン酸カルシウム或いは酸化チタンを混合した基材に、炭化珪素粒を分散させた電磁波吸収体であって、前記チタン酸マグネシウム或いはチタン酸カルシウム或いは酸化チタンの濃度が、前記基材に対して0.1〜5wt%、前記炭化珪素粒の濃度が、前記電磁波吸収体に対して2〜30wt%の範囲で混合してあることを特徴とする電磁波吸収体。
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