微波真空電子器件廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、各種通信設(shè)備以及電子對(duì)抗設(shè)備等方面，在現(xiàn)代軍事電子裝備中，在大功率、高頻率的情況下，微波真空電子器件有著不可取代的重要地位。９５％氧化鋁陶瓷作為微波電真空器件較常用的絕緣介質(zhì)材料，廣泛用于微波管的輸能窗片、收集很和夾持桿。但是隨著微波管逐漸應(yīng)用于高頻率以及高功率，對(duì)于輸出窗以及夾持桿等陶瓷制品的損耗和散熱性能提出了更高的要求。９５％氧化鋁瓷的損耗和散熱性能已不能滿足高性能微波管設(shè)計(jì)要求，需要用純度更高的氧化鋁陶瓷如高純氧化鋁陶瓷材料（氧化鋁含量大于９９％）或藍(lán)寶石替代。
氧化鋁陶瓷的許多應(yīng)用都涉及到陶瓷與金屬封接技術(shù)。在金屬化數(shù)十年的發(fā)展中，目前較常用的９５％氧化鋁瓷，已經(jīng)形成了一套成熟的Ｍｏ－Ｍｎ金屬化理論和封接工藝。但是９９％氧化鋁瓷與常用的９５％氧化鋁瓷在微觀結(jié)構(gòu)上有一定區(qū)別。９５％氧化鋁瓷的晶粒較大，在晶界中含有一定量的玻璃相，在金屬化過程中，金屬化層中的玻璃活化劑會(huì)產(chǎn)生液相，并與瓷中的玻璃相產(chǎn)生互遷移，形成與陶瓷基體粘結(jié)良好的金屬化層，對(duì)于９５％氧化鋁瓷，其金屬化機(jī)理是玻璃相遷移理論。而高純氧化鋁中的晶粒細(xì)小，晶界中含有很少甚至沒有玻璃相，在金屬化過程中金屬化層中的玻璃相不能與瓷中玻璃相產(chǎn)生互遷移，因此玻璃相遷移理論對(duì)于高純氧化鋁的金屬化并不適用。
與９５％氧化鋁陶瓷金屬化過程中有大量的玻璃相遷移的現(xiàn)象不同，高純氧化鋁陶瓷的金屬化主要是由于金屬化層與陶瓷基體在燒結(jié)過程的溶解－沉淀形成的互作用以及玻璃相本身與陶瓷基體的物理作用，因此金屬化層與陶瓷基體之間的相互潤(rùn)濕性和互溶性顯得至關(guān)重要。此外，考慮到金屬化層本身與陶瓷基體之間若存在較大的熱應(yīng)力會(huì)影響整個(gè)封接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和氣密性，金屬化層與陶瓷基體的熱膨脹系數(shù)應(yīng)匹配。
目前常用于９５％氧化鋁陶瓷表面高溫金屬化的玻璃活化劑體系為Ｍｎ－Ａｌ－Ｓｉ－Ｃａ玻璃系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用于高純氧化鋁陶瓷存在一定問題。首先ＭｎＡｌ－Ｓｉ－Ｃａ玻璃系統(tǒng)在高溫下的介電損耗ｔａｎδ較高，為２×１０－３～３×１０－３。此外，Ｍｎ在高溫下會(huì)揮發(fā)并沉積在金屬化層表面，在高溫下Ｍｎ離子的變價(jià)會(huì)造成金屬化層表面有導(dǎo)電雜質(zhì)存在，在存在１％的導(dǎo)電雜質(zhì)時(shí)，介質(zhì)的電絕緣強(qiáng)度就降低到１／１４，使金屬化層容易產(chǎn)生電擊穿，降低窗片的輸出功率，因此該系統(tǒng)對(duì)于高壓大功率應(yīng)用場(chǎng)合，可靠性低；其次含Ｍｎ玻璃相的粘度一般較低降低，玻璃相的遷移會(huì)加劇，對(duì)于高純氧化鋁瓷，玻璃相無法遷移到陶瓷晶界中，玻璃相就會(huì)聚集在陶瓷表面，玻璃相的脆性，以及具有低的導(dǎo)熱性、低強(qiáng)度和差的熱穩(wěn)定性，會(huì)對(duì)金屬化層的強(qiáng)度和封接結(jié)構(gòu)的使用造成不利的影響。故目前所用的Ｍｎ－Ａｌ－Ｓｉ－Ｃａ玻璃系統(tǒng)不適合高壓大功率場(chǎng)合下使用的高純氧化鋁陶瓷的金屬化，需要開發(fā)一種絕緣耐壓性能好且與高純氧化鋁陶瓷具有良好的潤(rùn)濕性和互溶性的玻璃系統(tǒng)作為金屬化的玻璃活化劑。
ＣａＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２（Ｃａ－Ａｌ－Ｓｉ）系玻璃是目前制備高純氧化鋁陶瓷常用的燒結(jié)助劑，該體系具有低的熱膨脹系數(shù)，與Ｍｎ－Ａｌ－Ｓｉ－Ｃａ系玻璃相比，其高溫下的介電損耗也較低。為此，本文采用Ｃａ－Ａｌ－Ｓｉ系玻璃替代Ｍｎ－Ａｌ－Ｓｉ－Ｃａ系玻璃作為高純氧化鋁陶瓷金屬化的玻璃活化劑，對(duì)其高溫金屬化性能進(jìn)行研究，以期開發(fā)一種適合于高壓大功率應(yīng)用的高純氧化鋁陶瓷的金屬化工藝。
１ 實(shí)驗(yàn)
１．１ 實(shí)驗(yàn)方案
１．１．１ 配方設(shè)計(jì)
金屬化封接的燒結(jié)溫度主要在１３００～１５００℃，結(jié)合相圖在Ｃａ－Ａｌ－Ｓｉ玻璃系統(tǒng)中選定組成４％ＣａＯ＋１１％Ａｌ２Ｏ３＋８５％ＳｉＯ２為基礎(chǔ)配方，選用的玻璃系統(tǒng)低共熔點(diǎn)為１３４５℃。
１．１．２ 樣品制備
按照設(shè)計(jì)好的配方稱取玻璃原料，用行星球磨機(jī)球磨一定時(shí)間，得到一定粒徑和混合均勻的粉料。再將玻璃粉料與金屬Ｍｏ粉按照一定比例混合，用球磨機(jī)混合均勻，配制成所需的金屬化粉料，再加入一定比例的有機(jī)溶劑和粘結(jié)劑制成稀稠度合適的金屬化漿料。
采用絲網(wǎng)在樣品上印刷上金屬化漿料，然后在氫爐中進(jìn)行金屬化燒結(jié)，得到所需要的高純氧化鋁金屬化樣品。同時(shí)，為了保證封接的質(zhì)量，通常還在金屬化層表面電鍍一層數(shù)微米厚的鎳層。
１．２ 性能測(cè)試
用Ａｇ焊料將金屬化樣品與陶瓷抗拉件釬焊，用日本島津ＡＧ－ＩＣ５０ＫＮ型電子材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的抗拉強(qiáng)度；用英富康ＵＬ－１０００型檢漏儀測(cè)試金屬化樣品氣密性；用耐馳ＳＴＡ－４４９Ｃ型同步熱分析儀測(cè)試玻璃粉料的差熱分析數(shù)據(jù)。
結(jié)果表明：
（１）Ｃａ－Ａｌ－Ｓｉ玻璃系統(tǒng)可在１４５０℃左右進(jìn)行金屬化燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)高純氧化鋁的Ｍｏ金屬化，同時(shí)氣密性良好，但是Ｃａ－Ａｌ－Ｓｉ玻璃系統(tǒng)與高純氧化鋁陶瓷的潤(rùn)濕性以及互溶性較差，導(dǎo)致金屬化樣品的抗拉強(qiáng)度較低。
（２）提高Ｃａ－Ａｌ－Ｓｉ玻璃系統(tǒng)中的ＣａＯ與Ａｌ２Ｏ３含量，可以使得玻璃相與高純氧化鋁和Ｍｏ金屬層之間的熱膨脹系數(shù)匹配。同時(shí)ＣａＯ和Ａｌ２Ｏ３含量的增加可以降低玻璃活化劑的熔化溫度，保證在金屬化過程中玻璃活化劑完全熔化并與陶瓷基體有良好的潤(rùn)濕性，金屬化樣品的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到１００ＭＰａ。
（３）在Ｃａ－Ａｌ－Ｓｉ玻璃系統(tǒng)中加入３％的ＴｉＯ２不能改善玻璃相對(duì)于高純氧化鋁的潤(rùn)濕性以及互溶性；ＴｉＯ２高溫對(duì)Ｍｏ層燒結(jié)有促進(jìn)作用。