[发明专利]一种利用纳米结构镀层抑制微波部件表面二次电子发射的方法

说明书

技术领域：

本发明专利涉及卫星微波部件表面处理领域，具体涉及一种利用纳米结构镀层抑制微波部件表面二次电子发射的方法。

背景技术：

目前卫星有效载荷系统中微波无源部件大部分以铝合金为基体，为了降低器件损耗最常采用的方法是表面电化学镀银。在实际使用中，这些镀银部件在大功率电磁波传输条件下易于发生倍增放电效应，被称之为微放电现象。微波部件微放电击穿现象是决定卫星工作可靠性及其寿命的主要原因之一。随着微波部件的工作范围的扩大，对抑制微放电的需求日趋紧迫。

微放电现象发生的必要条件之一就是微波部件腔体表面的平均二次电子发射系数（SEY）大于1。典型SEY测试曲线横坐标是入射金属表面的电子初始能量，当腔内自由电子在微波场加速条件下满足Ep>E₁时，可能发生微放电现象。平均二次电子发射系数依赖于入射表面的电子束能量，因此根据SEY曲线上发射系数等于1的入射电子能量点E₁成为决定特定空间微波部件微放电阈值（可加载微波信号的最大电压或者功率）的主要因素。因此，需尽量使SEY值小于1，而E₁值则越大越好。

提高银镀层波导部件微放电阈值是卫星通信领域微波部件可靠性问题的主要挑战之一。在不改变微波部件结构设计的前提下，目前该领域内主要采用两种途径试图解决这一问题。第一种途径，在部件表面制备新的低SEY镀层材料，例如Alodine、TiN等。这些镀层的显著优点是表面SEY小，环境稳定性好，但是这种方法存在缺点，即镀层自身导电性差导致在高频条件下表面阻抗大。Alodine工艺还会造成一定的重金属环境污染，工程上难于推广。第二种途径，在银镀层表面形成大的粗糙度，利用二次电子在大粗糙度结构间隙被反射吸收的原理降低表面的平均SEY,从而提高微波部件微放电阈值，这种方法的优点是避免了上述途径中的不良导体镀层带来的高损耗问题，同时又可以降低SEY,因此这种研究方法在欧美航天卫星载荷研究领域受到了极大的关注和课题支持，但是这类大粗糙度表面的微结构尺寸往往大于高频条件下的趋肤深度，对微波部件的插损增加仍然是不可忽视的。另一方面，采用湿化学刻蚀或者电化学刻蚀工艺在铝合金基体或者银镀层上形成微米级大深宽比粗糙结构的表面处理工艺有可能因后处理不当而造成基体潜在的损伤，在使用过程中发展为裂纹缺陷，存在潜在的隐患。

基于以上背景技术的缺点，我们又注意到欧空局ESA相关研究中关于纳米结构表面抑制SEY的现象报导，与西安空间无线电技术研究所合作，首次提出了利用铝合金阳极氧化表面银的自组装构造纳米陷阱，抑制二次电子发射方法。

这一方法灵感来自于铝合金经阳极氧化后会形成结构均匀的纳米孔阵列结构，这种结构对二次电子发射有良好的抑制作用。但氧化膜本身导电性较差，不利于微波信号的传输，因此还需解决导电性的问题。

研究发现利用蒸发镀银获得的纳米银颗粒低温热处理可得到导电性能良好，并具有纳米陷阱的镀银层。对于纳米银来说，其性能变化的临界点与微粒直径有关，当微粒直径小于50nm时，其低温（小于200℃）时的烧结性能就会产生明显的增强，熔点可降至120～200℃。在200℃下热处理30分钟，就可形成银-银微粒间的有效导电，得到连续的导电层。这个工艺温度比传统的银的熔点温度961℃低了很多。

纳米晶体熔点降低的本质原因是表界面上的原子数众多，且这些原子具有未完全配位的悬空键，使界面能升高，从而增加了物质化学反应的速度，降低了反应所需的能量，即降低了熔化时所需的温度。直径为10nm的银微粒的表面/体积比要比直径为1μm的银微粒的表面/体积比大1万倍，由此提高了具有较高能量的表面原子的相对比例。纳米粒子粒径越小，其比表面能越高，熔点和烧结温度则大大降低。纳米颗粒熔点与其颗粒半径及相应块体纯物质的熔点关系为：