Вплив розміру включень SiC у структурі AlN–SiC на електрофізичні властивості композиту

Abstract

Досліджено композиційні матеріали AlN–SiC–Y₃Al₅O₁₂ з високим рівнем поглинання НВЧ-випромінювання (27–65 дБ/см), одержані методом вільного спікання сумішей 46 % (за масою) AlN(2Н), 4 % (за масою) Y₂O₃ і 50 % (за масою) SiC(6Н) з використанням SiC різних дисперсностей (1, 5 і 50 мкм). Показано, що питомий електричний опір розроблених матеріалів істотно залежить від їх структури: розміру включень SiC, відстані між ними та стану міжфазних границь. Встановлено, що збільшення розміру включень SiC у структурі матеріалу від 3 до 7 мкм призводить до зниження питомого електричного опору від 10⁴ до 90 Ом·м, а при їх зменшенні від 3 до 0,5 мкм формується безперервний каркас із SiC, що також спричиняє падіння опору до 210 Ом·м. Таким чином, композиційні матеріали, що містять 50 % (за масою) SiC із розміром включень SiC 3 мкм, є найбільш ефективними для виготовлення поглиначів НВЧ-випромінювання. Прошарки алюмоітрієвого гранату, що розташовані по границях зерен SiC, перешкоджають формуванню твердих розчинів AlN(2H)–SiC(6H) і, таким чином, дозволяють зберегти високий рівень діелектричних характеристик композиційного матеріалу на основі нітриду алюмінію і забезпечити високий рівень поглинання НВЧ-випромінювання.

Исследованы композиционные материалы AlN–SiC–Y₃Al₅O₁₂ с высоким уровнем поглощения СВЧ-излучения (27–65 дБ/см), полученные методом свободного спекания из смесей 46 % (по массе) AlN (2Н), 4 % (по массе) Y₂O₃ и 50 % (по массе) SiC(6Н) с использованием SiC различных дисперсностей (1, 5 и 50 мкм). Показано, что удельное электрическое сопротивление разработанных материалов существенно зависит от их структуры: размера включений SiC и расстояния между ними, состояния межфазных границ. Установлено, что увеличение размера включений SiC в структуре материала от 3 до 7 мкм приводит к снижению удельного электрического сопротивления от 10⁴ до 90 Ом·м, а при их уменьшении от 3 до 0,5 мкм формируется непрерывный каркасс из зерен SiC, что также приводит к падению сопротивления к 210 Ом·м. Таким образом, материалы, которые содержат 50 % (по массе) SiC с размером включений SiC 3 мкм, являются наиболее эффективными для изготовления поглотителей СВЧ-излучения. Слои алюмоиттриевого граната, расположенные по границам зерен SiC, препятствуют формированию твердых растворов AlN(2H)–SiC(6H) и, таким образом, позволяют сохранить высокий уровень диэлектрических характеристик композиционного материала на основе нитрида алюминия и обеспечить высокий уровень поглощения СВЧ-излучения.

The composite materials AlN–SiC–Y₃Al₅O₁₂ with high absorption of microwave radiation (27–65 dB/cm) were obtained by free sintering of mixtures of 46 wt % AlN (2H), 4 wt % Y₂O₃, and 50 wt % SiC (6H) using different dispersions SiC (1, 5 and 50 microns). It is shown that the electrical resistivity of the developed materials essentially depends on their structures, sizes of SiC inclusions, the distances between them as well a on the state of the interphase boundaries. It has been established that the increase of the SiC inclusions size, from 3 μm to 7 μm leads to the reduction of resistivity from 10⁴ to 90 ohm⋅m. The reduction from 3 μm to 0.5 μm provokes the formation of uninterrupted frame from SiC and also causes the resistivity to decrease to 210 ohm⋅m. Thus, materials that contain 50 wt% SiC of sizes 3 μm are most effective for the production of absorbers of microwave radiation. The layers of yttrium aluminum garnet, lying on the SiC grain boundaries, prevents the formation of AlN (2H)–SiC (6H) solid solutions and thus allows us to maintain a high dielectric characteristics of a composite material based on aluminum nitride and ensures a high absorption of microwave radiation.