[发明专利]一种金刚石/金属复合材料夹持杆及制备方法

说明书

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；