Высокотеплопроводный поглощающий свч-энергию материал

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2272085:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокотеплопроводным материалам, поглощающим СВЧ-энергию, и может быть использовано в электронике. Предложен высокотеплопроводный поглощающий СВЧ-энергию материал. Материал содержит нитрид алюминия, молибден и добавку для спекания, при этом он дополнительно содержит карбид молибдена, а в качестве добавки для спекания содержит оксид кальция или кальций углекислый при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид молибдена 10-30; молибден 10-30; оксид кальция 1,8-2,2 или кальций углекислый 3,4-3,6; нитрид алюминия - остальное. Технический результат - увеличение поглощающей способности материала, повышение равномерности распределения поглощающих свойств по всему объему материала, а также увеличение механической прочности. 1 табл.

Изобретение относится к высокоэффективным высокотеплопроводным материалам, поглощающим СВЧ-энергию, и может найти применение в электронной технике, в частности в СВЧ электронике, а также в других областях промышленности, где необходима высокая степень поглощения СВЧ-энергии.

Известен высокотеплопроводный керамикометаллический материал [1] следующего состава (мас.%): AlN 28-58,5; CaO 1-2; Мо или W 40-60. Этот поглощающий СВЧ-энергию материал обладает высокой теплопроводностью, порядка 120 Вт/(м·К.), имеет диэлектрическую проницаемость на частоте 10¹⁰Гц при 20°С, равную 49, тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10¹⁰ Гц при 20°С, равный 0,9. Однако его поглощающая способность недостаточно высока для изделий электронной техники, работающих в определенных диапазонах частот.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является высокотемпературный поглощающий СВЧ-энергию материал [2]. Этот материал включает в себя следующие компоненты: карбид хрома 15-25 мас.%, молибден 15-25 мас.%, оксид кальция 1.8-2.2 мас.%, нитрид алюминия - остальное.

Недостатками прототипа является его недостаточная поглощающая способность в диапазонах работы СВЧ-приборов порядка 9-11 ГГц. Кроме того, в этих материалах требуется высокая равномерность распределения поглощающих свойств по всему объему материала, что не обеспечивает композиция, изготовленная в соответствии с составом прототипа. Этот материал не обладает достаточной механической прочностью и поэтому изделия из него не выдерживают динамических нагрузок в СВЧ-приборе.

Техническим результатом изобретения является увеличение поглощающей способности материала, повышение равномерности распределения поглощающих свойств по всему объему материала, а также увеличение его механической прочности.

Предложен высокотеплопроводный поглощающий СВЧ-энергию материал, содержащий нитрид алюминия, молибден и добавку для спекания, в который дополнительно введен карбид молибдена.

Этот высокотеплопроводный поглощающий СВЧ-энергию материал в качестве добавки для спекания содержит оксид кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карбид молибдена	10-30
молибден	10-30
оксид кальция	1,8-2,2
нитрид алюминия	остальное

Этот высокотеплопроводный поглощающий СВЧ-энергию материал в качестве добавки для спекания содержит кальций углекислый при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карбид молибдена	10-30
молибден	10-30
кальций углекислый	3,4-3,6
нитрид алюминия	остальное

Положительным эффектом данной композиции является значительное повышение ее поглощающей способности, повышение равномерности распределения поглощающих свойств по всему объему материала, а также увеличение его механической прочности.

Предложенная композиция после спекания представляет собой объемную диэлектрическую матрицу из нитрида алюминия, в которой равномерно распределена поглощающая фаза, состоящая из молибдена и карбида молибдена. Молибден является проводящим материалом, а карбид молибдена - полупроводниковым и поэтому поглощающая способность материала обусловлена как эффектами рассеяния на частицах металла, окруженных диэлектрической матрицей, так и эффектами, характерными для полупроводниковых материалов. Физическое состояние материала композиции после спекания обеспечивает повышение его поглощающих свойств и равномерное распределение этих свойств по всему объему этого материала. Механическая прочность предложенного материала повышается за счет введения в композицию карбида молибдена, который имеет близкую структуру к молибдену. Молибден является d-элементом, который образуют карбиды, относящиеся к фазам внедрения, и заполняет объемную диэлектрическую матрицу. Это повышает равномерность распределения компонентов в композиции, а соответственно и механическую прочность всего высокотеплопроводного поглощающего СВЧ-энергию материала. Добавка для спекания обеспечивает хорошее спекание композиции. В качестве добавки для спекания может быть применен оксид кальция либо кальций углекислый.

Кальций углекислый берут в больших количествах от массы композиции, чем оксид кальция, поскольку в дальнейшем при обжиге композиции происходит распад этого вещества на две составляющие, одной из которых является оксид кальция. При этом масса оксида кальция после обжига и распада кальция углекислого составляет 1,8-2,2 мас.%, такое же количество оксида кальция вводят в композицию по 2 пункту формулы изобретения. Второй компонент, образующийся в процессе отжига из кальция углекислого - углекислый газ, восстанавливается до оксида углерода (двухвалентного-II):

Далее идет реакция нитрида алюминия с оксидом углерода, в результате которой возникает оксикарбид алюминия, который образует твердый раствор замещения с нитридом алюминия:

2AlN+CO=Al₂OC+N₂

После этого спекание материала идет более интенсивно и плотность поглощающего СВЧ-энергию материала при этом увеличивается. Таким образом, применение карбоната кальция в композиции улучшает процесс спекания и служит для получения материала с большей механической прочностью.

Приготовление композиции для получения высокотеплопроводного поглощающего СВЧ-энергию материала осуществляют следующим образом:

Пример 1

Берут порошкообразные молибден (х/ч ТУ 48-19-69-80) в количестве 20 г и карбид молибдена (ТУ 6-06-03-363-74) в количестве 20 граммов, размалывают их дополнительно на мельнице. Далее в эту смесь добавляют порошкообразный нитрид алюминия (ТУ 6-09-110-75) в количестве 58 граммов и оксид кальция (ГОСТ 8677-76) в количестве 2 г. После чего продолжают помол до получения необходимой величины удельной поверхности смеси. Затем соединяют эту смесь с технологической связкой. Полученную композицию помещают в форму, в которой проводят формование изделий методом полусухого прессования. После чего выжигают технологическую связку и осуществляют высокотемпературное спекание изделий при температуре 1730°С в среде формиргаза. Для определения поглощающих свойств изделий замеряли следующие их параметры: диэлектрическую проницаемость на частоте 10 ГГц при температуре 20°С и тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10 ГГц при температуре 20°. Для определения свойств теплопроводности композиции осуществляли измерения коэффициента теплопроводности изделий. Для проверки механической прочности изделий осуществляли измерение предела их механической прочности при статическом изгибе. Данные всех измерений размещены в таблице, из которой видно, что эти материалы имеют оптимальные значения диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и хорошую механическую прочность.

Пример 2

Приготовление композиции осуществляют в соответствии с примером 1, при этом компоненты композиции берут в следующих соотношениях: карбид молибдена - 25 г, молибден - 25 г, оксид кальция - 2,1 г, нитрид алюминия - 47,9 г. Спекание изделий осуществляют при температуре 1740°С в среде формиргаза. Данные измерений свойств материала представлены в таблице, из которой видно, что эти материалы имеют оптимальные значения диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и хорошую механическую прочность.

Пример 3

Приготовление композиции осуществляют в соответствии с примером 1, при этом компоненты берут по нижнему пределу заявленных в формуле изобретения по пункту 2 соотношений в следующих пропорциях: карбид молибдена - 10 г, молибден - 10 г, оксид кальция - 1,8 г, нитрид алюминия - 78,2 г. Спекание изделий осуществляют при температуре 1760°С в среде формиргаза. Данные измерений свойств материала представлены в таблице, из которой видно, что эти материалы имеют хорошие значения диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и механическую прочность ниже, чем у материалов по примерам 1, 2.

Пример 4

Приготовление композиции осуществляют в соответствии с примером 1, при этом компоненты берут в следующих соотношениях: карбид молибдена - 15 г, молибден - 15 г, оксид кальция - 1,9 г, нитрид алюминия - 68,1 г. Спекание изделий осуществляют при температуре 1740°С в среде формиргаза. Данные измерений свойств материала представлены в таблице, из которой видно, что эти материалы обладают лучшими значениями диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и механической прочности, чем по примеру 3.

Пример 5

Приготовление композиции осуществляют в соответствии с примером 1, при этом компоненты берут по верхнему пределу заявленных в пункте 2 формулы изобретения соотношений в следующих пропорциях: карбид молибдена - 30 г, молибден - 30 г, оксид кальция - 2,2 г, нитрид алюминия - 37,8 г. Спекание изделий осуществляют при температуре 1740°С в среде формиргаза. Данные измерений свойств материала представлены в таблице, из которой видно, что эти материалы обладают худшими значениями диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь, чем у примеров 1 и 2, но более высокой механической прочностью.

Пример 6

Берут порошкообразные молибден (х/ч ТУ 48-19-69-80) в количестве 25 г и карбид молибдена (ТУ 6-09-03-363-74) в количестве 25 г, размалывают их дополнительно на мельнице. Далее в эту смесь добавляют порошкообразный нитрид алюминия (ТУ 6-09-110-75) в количестве 46.6 г и кальций углекислый (ГОСТ 4530-76) в количестве 3.4 г после чего продолжают помол до получения необходимой величины удельной поверхности смеси. Затем соединяют эту смесь с технологической связкой. Полученную композицию помещают в форму, в которой проводят формование изделий методом полусухого прессования. После чего выжигают технологическую связку и осуществляют высокотемпературное спекание изделий при температуре 1730°С в среде формиргаза. Данные всех измерений размещены в таблице, из которой видно, что эти материалы имеют оптимальные значения диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и хорошую механическую прочность.

Таблица
№№ примера	Компоненты	Содержание, масс.%	Условия спекания	Коэф. теплопроводности, Вт/м·к	Свойства материала
Диэлектр. проницаемость на частоте 10¹⁰ Гц при 20°С	Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10¹⁰Гц при 20°С	Предел механической прочности при статическом изгибе, кгс/мм²
1	Карбид молибдена	20	Т=1730°С среда - формиргаз	120	60	2,2	25
	Молибден	20
	Оксид кальция	2,0
Нитрид алюминия	58
2	Карбид молибдена	25	Т=1740°С среда - формиргаз	115	62	2,1	25
	Молибден	25
	Оксид кальция	2,1
Нитрид алюминия	47,9
3	Карбид молибдена	10	Т=1760°С среда - формиргаз	88	52	1,9	21
	Молибден	10
	Оксид кальция	1,8
Нитрид алюминия	78,2
4	Карбид молибдена	15	Т=1740°С среда - формиргаз	98	58	2,1	23
	Молибден	15
	Оксид кальция	1,9
Нитрид алюминия	68,1
5	Карбид молибдена	30	Т=1740°С среда - формиргаз	100	56	2,0	27
	Молибден	30
	Оксид кальция	2,2
Нитрид алюминия	37,8
6	Карбид молибдена	25	Т=1730°С среда - формиргаз	115	61	2,2	29
	Молибден	25
	Кальций
	углекислый	3,4
Нитрид алюминия	46,6

Таким образом, предложена композиция высокотеплопроводного поглощающего СВЧ-энергию материала, которая имеет высокую поглощающую способность, равномерность распределения поглощающих свойств по всему объему материала, а также высокую механическую прочность.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1159282 МКИ С 04 С 35/58 «Состав шихты для изготовления керамического материала» авторы Бухарин Е.Н., Власов А.С., Алексеев А.А.

2. Прототип: патент РФ №1776078, пр. 08.01.91, МПК С 22 С 29/16, С 22 С 29/00, «Высокотемпературный поглощающий СВЧ-энергию материал», авторы Мушкаренко Ю.Н., Пархоменко С.И., Иноземцева А.В.

Высокотеплопроводный поглощающий СВЧ-энергию материал, содержащий нитрид алюминия, молибден и добавку для спекания, отличающийся тем, что он дополнительно содержит карбид молибдена, а в качестве добавки для спекания содержит оксид кальция или кальций углекислый, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид молибдена	10-30
Молибден	10-30
Оксид кальция	1,8-2,2
или кальций углекислый	3,4-3,6
Нитрид алюминия	Остальное

Способ производства легирующего материала на основе нитрида кремния // 2210615

Изобретение относится к металлургии и касается получения легирующих материалов на основе нитрида кремния. .

Способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора для режущих инструментов и композиционный материал // 2147972

Сверхтвердый композиционный материал // 2108404

Изобретение относится к получению сверхтвердых материалов в аппаратах высокого давления и температуры. .

Материал для покрытия на металлорежущий и штамповый инструмент из стали и твердого сплава // 2087258

Сверхтвердый композиционный материал // 2083714

Сверхтвердый композиционный материал // 2070600

Шихта для изготовления сверхтвердого композиционного материала // 2070599

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к составам шихты для получения сверхтвердых материалов в аппаратах высокого давления и температуры, и может найти применение в машиностроении при производстве лезвийного режущего инструмента.

Композиционный фрикционный материал // 1790246

Изобретение относится к порошковой металлургии. .

Высокотемпературный поглощающий свч-энергию материал // 1776078

Изобретение относится к получению высокоэффективных поглотителей СВЧ-энергии. .

Способ получения азотированных ферросплавов и лигатур // 2331691

Изобретение относится к области черной и цветной металлургии, в частности к получению азотированных ферросплавов и лигатур для последующего легирования азотом стали, меди, алюминия

Способ получения азотсодержащего материала на основе нитридов металлов для лигатур титановых сплавов и азотсодержащий материал для лигатур титановых сплавов // 2422246

Изобретение относится к металлургии сплавов титана, а именно, к получению азотсодержащих материалов на основе нитридов алюминия и ванадия для лигатур титановых сплавов

Эрозионностойкая керметная облицовка для применения в разведке, очистке и химической переработке нефти и газа // 2437950

Изобретение относится к способам защиты металлических поверхностей, подвергаемых абразивной эрозии твердыми частицами при температурах до 1000°С

Способ получения азотированного феррованадия // 2462525

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве азотированной ванадийсодержащей лигатуры, применяемой при выплавке различных марок сталей, например конструкционных, инструментальных и сталей с особыми свойствами

Шихта твердого сплава // 2472867

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным безвольфрамовым твердым сплавам

Способ получения упрочненного сплава при помощи плазменного азотирования // 2569438

Изобретение относится к способу получения упрочненного сплава, имеющего металлическую основу, в объеме которой диспергированы наночастицы, из которых по меньшей мере 80% имеют средний размер от 0,5 нм до 50 нм. Указанные наночастицы содержат по меньшей мере один нитрид, выбранный из нитридов по меньшей мере одного элемента-металла М, выбранного из группы, содержащей Ti, Zr, Hf и Та. Способ включает следующие последовательные этапы, на которых a) осуществляют плазменное азотирование основного сплава при температуре от 200°C до 700°C для введения в него внедренного азота, причем указанный основной сплав содержит от 0,1% до 1% по весу элемента-металла М и выбран из аустенитного, ферритного, ферритно-мартенситного сплава или сплава на основе никеля, b) проводят диффундирование внедренного азота в указанном основном сплаве при температуре от 350°C до 650°C и c) осуществляют выделение нитрида при температуре от 600°C до 900°C в течение от 10 минут до 10 часов с образованием указанных наночастиц, диспергированных в упрочненном сплаве. Обеспечивается получение сплава, упрочненного частицами нитрида. 28 з.п. ф-лы, 1ил.