微波連線

微波連線（microwave jointing），利用材料吸收微波能、整體快速同時加熱特性，使界面在一定壓力、較低溫度下快速擴散連線的方法。陶瓷材料導熱差，輻射加熱時間長，溫度不均勻，微波連線熱應力小，效率高，時間短，>500℃/min。可使Al2O3和Si₃N₄等製件擴散連線。Al₂O₃在0.6～2MPa和1650℃條件下，微波連線強度可達到原陶瓷的93%。

基本介紹

• 中文名：微波連線
• 外文名：microwave jointing
• 方法：材料的吸收微波能、整體快速加熱
• 材料：陶瓷材料連線
• 強度：可達到原陶瓷的93%
• 套用：航空領域，絕緣材料連線

微波連線簡介

這是一種以內部產熱作為加熱手段的連線方法，該方法以材料在微波輻射場中的分子極化產熱作為熱源，在一定的壓力作用下完成連線。主要分為間接微波連線和直接微波連線兩種方法。所謂的間接微波連線，是指在所連線的陶瓷之間加入中間介質，利用中間介質與母材陶瓷對微波的吸收和產熱能力的不同，通過中間介質熔化並潤濕陶瓷基體來實現連線。

作用

直接微波連線是不加任何中間介質直接通過微波加熱來連線陶瓷。一般來講，除某些碳化物之外，大多數工程陶瓷絕緣體對於微波輻射是透明的，在室溫下的微波場中很難被加熱。但當加熱超過一個臨界溫度後，則陶瓷吸收並把微波能量轉變為熱量的能力大幅升高。利用陶瓷這一特性，預先將陶瓷待焊接區域加熱到臨界溫度以上，結合陶瓷本身低的熱傳導性，使得陶瓷待連線區域的溫度高於周圍其他區域，此時在微波的作用下，這一預先加熱區域比周圍較冷的區域更優先地吸收微波能量，使局部加熱得以實現。當採用微波連線SiC-ZrO₂以及Al₂O₃-Al₂O₃時，發現純度為99.8%的Al₂O₃不能被加熱到足夠高的溫度，而純度為94%和85%的Al₂O₃則能被成功連線。同時發現，在陶瓷中玻璃晶界相的主要功能是增加材料的絕緣損失，使材料被加熱。在Al₂O₃接頭中獲得了超過母材力學性能的連線強度，其連線機理是基於玻璃晶界相的粘性流動：被連線雙方母材的玻璃相提供了跨越連線線的充分遷移和晶粒生長，觀察到一個均勻的顯微結構。在這種情況下，連線的機械強度比母材高，四點彎曲實驗的連線試樣從未在連線線處破壞。

採用微波加熱方法將ZrO₂增韌Al₂O₃（ZTA）與Y₂O₃穩定的四方相ZrO₂（Y-TZP）進行連線，發現Al₂O₃與ZrO₂具有相似的微波加熱特性，即在一定溫度下，微波吸收性很差，但超過某一溫度（約500℃～600℃），隨溫度升高其微波吸收性急劇增加。在微波加熱過程中，一旦升溫至微波吸收性急劇增加的溫度值後，由於其有效吸收微波能，從而實現體積加熱。這項實驗是在ZTA和Y-TZP生坯態之間直接連線，即將兩種母材的粉體預壓成型後，不經過燒結即進行連線，因此實際上是一個同時燒結與連線的過程。研究發現微波加熱可以促進晶界空位移動，從而促進體積擴散或晶界擴散過程，因此微波加熱時緻密化過程比普通加熱過程快。與常規加熱方法相比，發現微波加熱所得到接頭的強度更高。造成這種差別的原因與母材的燒結緻密化行為和顯微組織變化有關。隨著溫度升高或時間延長，在表面能減小的驅動力作用下，固體顆粒相互鍵聯，逐步減少氣孔所占的體積，細小的顆粒之間可形成晶界，並且不斷擴大晶界面積，使生坯緻密化。在ZTA和Y-TZP之間的界面區域，是二者粉體相互混合的區域，通過微觀的燒結過程，實現二者之間的巨觀結合。由於微波加熱可以在更低的溫度或更短的時間內完成緻密化過程，使ZTA與Y-TZP的組織比常規加熱時更加均勻、細小，有助於抑制ZrO₂由四方相向單斜相的轉變，從而有利於獲得較高的連線強度。對連線界面區的微觀組織觀察發現，微波連線時界面區兩側晶粒之間能實現良好的連線，而使用常規加熱連線時，界面上則存在一些孔洞。

優勢

由微波加熱的特點可知這種連線方法套用於陶瓷連線的優勢在於：在微波場內被焊工件是內外部同時加熱，內應力較低，對於陶瓷這種脆性材料可以快速加熱而不開裂；可通過使焊接區具有高峰電場或使用介電損耗大的中間層材料，使接合區局部選擇性加熱，充分利用能量，並使焊件的其他部分不受高溫作用。但該方法難於準確控制溫度，對介電損耗小的陶瓷還需採用耦合劑來提高產熱。由於產熱機制的制約，目前這種方法僅限於同種或異種陶瓷之間的連線，還未見到陶瓷與金屬連線的報導。

計算

微波吸收功率P =λtgσ_effE_intV，升溫速度v =Δt/t =λtgσ_effE_intf/ρC_p

式中λ為導熱性，tgσ_eff為介電損耗，E_int為材料內部電場強度，f為微波頻率，V為試樣體積，ρ和C_p為密度和比熱。

微波連線元件

微波連線元件（Microwave Connector）的作用是將不同功能的微波元器件按一定要求連線起來，微波連線元件是二連線埠互易元件，散射矩陣為

其中S₁₂=S₂₁。主要指標要求：接觸損耗小、駐波係數小、功率容量大、頻頻寬。

公式

微波連線元件是微波系統中套用最為廣泛的元件之一，連線相同類型器件的連線元件統稱為接頭，連線不同類型器件的連線元件稱為轉接器或轉換接頭。

（1）連線接頭

常用的有波導接頭和同軸線接頭，這裡介紹波導接頭。

①平法蘭接頭和扼流法蘭接頭

用於波導之間的連線。圖1中a為平法蘭接頭，是波導直接連線的一種機械接觸方法，優點是結構簡單、體積小、加工方便、頻頻寬、駐波比可以做到1.002以下，缺點是對接觸表面光潔度要求較高．否則接觸不嚴易產生電磁輻射。圖1中b為扼流法蘭接頭，由一個刻有扼流槽的法蘭和一個平法蘭對接構成，通常扼流槽的深度為λ_g/4。扼流槽至波導寬壁的長度也是λ_g/4。故槽底距波導內表面為λ_g/2，連線時對接處形成電流波腹點，使波導連線處即使接觸不良也有良好的電接觸。扼流法蘭接頭的特點是功率容量大，接觸表面光潔度要求不高，但工作頻帶較窄，駐波比的典型值是1.02。平接頭常用於低功率、寬頻帶場合，扼流接頭一般用於高功率、窄頻帶的場合。

圖1波導法蘭接頭

②扭轉和彎陸接頭

當需要改變電磁波的極化方向不改變傳輸方向時，用波導扭轉元件（圖2中a），當需要改變電磁波的方向時，可用波導彎曲。有E面彎曲（圖2中b）和H彎曲（圖2中c）。為使反射最小，扭轉長度取（2n+1）λ_g/4，E面波導彎曲的曲率半徑應滿足R≥1.5b，H面波導彎曲的曲率半徑應滿足R≥1.5a。

圖2波導扭轉彎曲元件

（2）轉換接頭

轉換接頭要實現不同形狀器件轉換時阻抗的匹配，保證信號有效傳送，還因為不同形狀器件的主模不同，因此還要保證工作模式的轉換。

①同軸線一波導轉接器

將同軸線的一端插入波導中，結構圖3所示。當同軸線的另一端加入信號時，波導中的同軸線產生的TEM模將激發波導中的TE₁₀模，實現從同軸線到波導的轉換；反之，波導中產生的TE₁₀模也會激發波導內的同軸線產生TEM模，實現從波導到同軸線的轉換。

圖3同軸線-微帶線轉接器

通過調整同軸線的插入深度h和插入位置d，可以進行同軸線與波導間的阻抗匹配。

②同軸線一微帶線轉接器

將同軸線內導體延伸一小段（1.5～2 mm），切成平面後與微帶線中心導帶搭接，同軸線外導體與微帶線的接地平面相連。同軸線中心導體電流可以在微帶線上激勵出準TEM模；反之，微帶線的準TEM波也會在同軸線中心導體上激勵出電流，實現轉接。

為了實現同軸線與微帶線的特性阻抗匹配，同軸線內導體的直徑應等於微帶線中心導帶的寬度。

③波導一微帶線轉接器

波導的等效阻抗一般為100～500 Ω，微帶線的特性阻抗一般為50 Ω ，波導的高度比微帶線的介質基片的厚度大得多，故通常在波導與微帶線之間加一段特性阻抗80～90 Ω的階梯式脊波導過渡段，使微帶線與波導問結構漸變，減小不連續性帶來的反射；然後再在脊波導與微帶線連線處加一段空氣微帶線，實現阻抗匹配和波導TE₁₀模與微帶線準TEM模的相互轉換。