提到微波真空电子器件，可能很多人会感到相对陌生，但若是说到雷达、导弹、卫星、核反应堆等，那就会感到亲切了。卫星需要的几百瓦功率来自什么器件？雷达需要的几千瓦功率来自什么器件？核反应堆加热需要的几兆瓦功率来自什么器件？是它是它还是它。微波真空电子器件的一种代表性产品就是行波管功率放大器，这是通信卫星的关键元器件，没有它我们就做不到远距离信号的传输。而在日益发展进步的雷达技术中，无论是用于国防方面的情报监测，还是民用的汽车电子、无人机、自动驾驶等多个领域，它也发挥着举足轻重的作用。

真空电子陶瓷材料是支撑微波真空电子器件技术发展的关键基础材料，在微波真空电子器件中主要起到绝缘支撑、微波传输和微波衰减三个方面的作用。随着微波真空电子器件向高频率、高功率、小型化方向发展，电场强度和功率密度快速增大，对陶瓷材料的性能要求大幅提高：用于绝缘的陶瓷材料表面需耐受更高的闪络电压；用于微波传输的陶瓷材料应具有高的热导率、高的抗射频击穿能力、低的介电常数和介质损耗等；用于微波衰减的陶瓷材料应具有高的热导率和可剪裁的介质性能频谱等，而优异的工艺和机械性能是器件可靠性对真空电子陶瓷材料的共性要求。

真空电子陶瓷配件

目前常用的真空电子陶瓷材料有氧化铝瓷(Al₂O₃)、氧化铍瓷(BeO)、氮化硼(BN)瓷等。氧化铍瓷、氮化硼瓷一般用于螺旋线行波管慢波线作夹持；氧化铝瓷有99%Al₂O₃瓷和95%Al₂O₃瓷。国内外在真空电子器件中应用最多的是95%Al₂O₃瓷，常用在电子枪、收集极、输能装置中，也用作气体放电器件的外壳和引线绝缘。而随着真空电子器件相关技术的发展，为满足高功率、高频率器件的研制需求，与真空电子陶瓷应用相关的工艺技术也得到充分重视，如：高耐压掺杂和涂层技术、输能窗二次电子发射抑制技术、微型衰减器精密成型与加工技术等。

氧化铝真空电子陶瓷的几种发展方向

1.高耐压陶瓷

高压打火是行波管等微波真空电子器件最主要的失效方式，而绝缘介质（陶瓷）表面的耐压又是其中最薄弱的环节，多以陶瓷沿面闪络的形式发生。虽然BeO、AlN、Si₃N₄等陶瓷都具有优良的绝缘性能，而氧化铝陶瓷因其成本低廉、工艺成熟、性能稳定，是目前微波真空电子器件中应用最广泛的高压绝缘材料，但常规的氧化铝陶瓷材料的耐压性能已经不能满足高频率、高功率、小型化微波真空电子器件的发展要求。

高压真空灭弧室氧化铝陶瓷真空管

研究表明，氧化铝陶瓷的耐压能力与其纯度、致密度、晶粒尺寸、缺陷种类及浓度、表面状态等因素密切相关，机理十分复杂。通常认为，在器件工作过程中，电子撞击绝缘介质（即真空陶瓷部件）表面后，会激发出二次电子，这些二次电子又在电场的作用下加速再次撞击介质表面，激发出更多的二次电子，如此多次反复，最终导致沿面闪络的发生，从而易产生失效。

因此提高陶瓷材料本身耐压性能目前主要有两个思路，其一是降低表面二次电子发射系数，抑制二次电子倍增过程；其二是适当降低表面电阻率，提高电荷消散能力，避免电场的局部过度集中。

采用Cr₂O₃、Cu₂O等涂层技术可使氧化铝陶瓷闪络电压显著提高，或者采用Mn、Ti等表面掺杂也是一种提高闪络电压的方向。

含Cr₂O₃涂层与无涂层氧化铝陶瓷闪络电压

2.微波传输陶瓷

微波传输要求材料具有高强度、高导热、低二次电子发射系数、低介质损耗、适当低的介电常数等。可用于微波输能窗的材料主要有氧化铝（含蓝宝石）、氧化铍、氮化硼、氮化铝和金刚石等。

各类微波窗材料物理性能参数

其中氧化铝陶瓷虽然导热率最低，但其力学性能良好、工艺成熟度高、成本低，仍然是目前应用最广泛的输能窗材料，通过提高纯度、优化工艺可以获得机械强度更高、损耗更低的高纯细晶氧化铝陶瓷。

高纯氧化铝陶瓷窗在微波功率传输能力上的优异表现很大程度上归功于其低的介质损耗和高的体积电阻率；蓝宝石的介质损耗、体积电阻率优于高纯氧化铝陶瓷，但是其二次电子发射系数偏高，电子在表面碰撞的级联倍增效应显著，导致其微波功率传输的能力低于高纯氧化铝陶瓷。

介质损耗对于微波传输陶瓷的性能影响较大，但对于化学组成十分接近的氧化铝陶瓷，其介质损耗数据也会有很大差异。例如有研究者对几家著名公司的氧化铝陶瓷产品进行测试，发现同样是纯度均大于等于99.9%的氧化铝陶瓷，但其介质损耗数据跨度达3个数量级，说明不到0.1%的微量掺杂对氧化铝陶瓷性能影响巨大。不同的掺杂种类会在氧化铝晶格内产生不同的缺陷，掺杂的组分多以晶态或非晶态形式存在于晶界上，不同的缺陷类型以不同的频率与外电场发生作用，从而在不同的电场频率下表现出不同的介质损耗特性。

不同成分高纯氧化铝的介质损耗频谱数据

另外，由于氧化铝陶瓷（包括蓝宝石）二次电子发射系数较高(δmax＞６)，高功率下射频击穿问题比较突出。目前采用在输能窗表面镀覆低二次电子发射材料（TiN等），对抑制射频击穿效果较好，但需对膜层稳定性和抑制效果退化等问题进一步研究。

3.微波衰减陶瓷

微波衰减材料是真空电子器件中重要功能材料，它的作用是对微波信号的有效吸收、降低反射，以抑制各种模式的杂波，保证器件工作的稳定性。目前，欧美国家主要采用是以SiC为衰减相的复相陶瓷材料，绝缘介质基体主要有BeO、MgO、Al₂O₃、AlN等，研究目标多着眼于微波介电性能和热导率。

综合考虑器件的功能和工艺要求，良好的衰减材料应具备：①高导热；②高强度；③良好的温度稳定性好；④可剪裁的介电性能（以满足宽频吸收和匹配要求）；⑤低放气速率；⑥可加工性能好。这些要求中有些是相互制约的，随着工作频率向太赫兹迈进，器件尺寸大幅减小，对衰减材料的综合性能提出更高要求，频率达到2200GHz以上，特征尺寸将减小至0.05mm以下，在满足导热、介电等性能的同时，材料应具有高的力学强度和韧性。

同时，高功率、高频率微波真空电子器件的发展对衰减陶瓷材料体系和工艺设计、显微结构控制和精密加工技术提出了新挑战，为此，必须从更微观层次开展衰减材料设计与性能剪裁，实现材料综合性能最佳组合，如：将高损耗与低损耗、低介电常数材料组合成功能梯度衰减材料，改善材料的频率匹配特性；寻找具有更高导热性能的介质基体，以低维纳米材料（纳米颗粒、纳米线、纳米片等）为衰减相为新型衰减材料的设计和制造提供了新思路；近年成为研究热点的3D打印技术也为复杂微型衰减器制备加工提供了新途径。这些都是高性能衰减材料未来的研究方向。

总结

电子陶瓷是支撑微波真空电子器件技术发展的关键材料，反过来，微波真空电子器件向高频率、高功率、小型化方向发展对电子陶瓷技术提出了新的挑战。其中氧化铝作为应用最为广泛的一种材料，加强表面耐受更高电场、耐受更高微波功率传输、适用于大功率高频率宽频带应用的高性能氧化铝真空电子陶瓷材料的制备研究，是发展高端微波真空电子器件技术的重点任务之一。

参考来源：

1.真空电子陶瓷材料技术发展与应用，赵世柯、鲁燕萍（真空电子技术）；

2.电真空器件用陶瓷材料热导率研究，杜斌、鲁燕萍（真空电子技术）；

3.电真空器件用氧化铝陶瓷的介电性能，赵世柯（陶瓷）；

4.真空电子器件用氧化铝陶瓷显微结构的研究，何晓梅、王晓宁（真空电子技术）。

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