石墨復(fù)合陰極及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石墨復(fù)合陰極及其制備方法，特別涉及一種大長(zhǎng)徑比纖維或晶須摻雜石墨復(fù)合陰極及其制備方法，可應(yīng)用于強(qiáng)流脈沖電子束技術(shù)、高功率微波等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率微波源(HPM源)通過真空二極管陰極發(fā)射的高功率電子束在一定的電磁結(jié)構(gòu)中進(jìn)行束波能量交換，將電子束的能量轉(zhuǎn)化為電磁波的能量，從而產(chǎn)生高功率微波。因此陰極是高功率微波系統(tǒng)中至關(guān)重要的部件。
[0003]近年來HPM源用陰極材料研究主要集中在金屬、天鵝絨和石墨上。金屬陰極對(duì)真空要求低，爆炸過程中產(chǎn)生大量的等離子體并形成強(qiáng)流電子發(fā)射。但金屬陰極的缺點(diǎn)較多:金屬的電子發(fā)射閾值電場(chǎng)較高，因而發(fā)射啟動(dòng)較慢;金屬在爆炸發(fā)射過程中表面易熔化而破壞，導(dǎo)致發(fā)射電流大大下降；金屬陰極在發(fā)射過程中材料熔化蒸發(fā)嚴(yán)重，導(dǎo)致等離子體膨脹速度過快，有效二極管間隙迅速縮短，造成二極管阻抗和電流不穩(wěn)定。天鵝絨有很高的形狀場(chǎng)增強(qiáng)因子，具有發(fā)射閾值低(ES 14 V/cm)、啟動(dòng)延遲時(shí)間短(<10 ns)、發(fā)射電流密度大等優(yōu)點(diǎn)。但天鵝絨陰極也有高放氣率、易燒損等缺點(diǎn)，使其在重頻HPM系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了很大的限制。石墨是以SP2雜化軌道的碳原子六邊形網(wǎng)格為主體的炭素材料的總稱。石墨材料具有良好的耐高溫(>3500°C)、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能、穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且易于加工成形。作為爆炸發(fā)射陰極，石墨則表現(xiàn)出低出氣率和長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高阻抗HPM源(如相對(duì)論返波振蕩器)中，是產(chǎn)生重頻長(zhǎng)脈沖HPM的重要候選陰極材料。然而，石墨陰極存在發(fā)射電子束流均勻性較差，電流密度較低、發(fā)射閾值較高的缺點(diǎn)，此外，石墨陰極經(jīng)重復(fù)頻率電子發(fā)射后，多脈沖次數(shù)后環(huán)形石墨邊緣明顯變平滑，導(dǎo)致場(chǎng)增強(qiáng)效果減弱，發(fā)射性能降低。
[0004]碳纖維作為最重要的纖維類材料，已經(jīng)在高功率微波源用陰極上得到了較多的研究。研究結(jié)果表明，碳纖維陰極放氣率低，等離子體膨脹速率小，當(dāng)?shù)入x子體大面積覆蓋在陰極表面時(shí)其膨脹速率約為1.0?2.0cm/ys，此外碳纖維熔點(diǎn)極高，真空氛圍下耐高溫?zé)g，使用壽命長(zhǎng)達(dá)16次以上。由于碳纖維具有較大的長(zhǎng)徑比，可以達(dá)到幾十甚至數(shù)千，碳纖維陰極的綜合發(fā)射性能較好，但如何制備出纖維分布均勻可控且滿足形狀尺寸要求的陰極是其工程化應(yīng)用所面臨的主要困難，此外，碳纖維陰極還存在著結(jié)構(gòu)均勻性難以控制的問題。
[0005]SiC晶須與碳纖維類似，也是一種具有較大長(zhǎng)徑比的材料，并且其晶體內(nèi)雜質(zhì)少，具有高度取向性，因此晶須類材料也是一類重要的電子發(fā)射材料。Zhengwei Pan等認(rèn)為碳化硅納米線具有較低的電子發(fā)射閾值，并且具有電流密度高，發(fā)射性能穩(wěn)定的特點(diǎn)(Zhengwei Pan, Hau-Ling Lai，F(xiàn)rederick C.K.Au，et al，Oriented SiliconCarbide Nanowires: Synthesis and Field Emiss1n Properties.Adv.Mater.,2000，12(6)，1186-1190)。但是，碳化硅晶須(或納米線)難以制成尺寸較大且具有一定強(qiáng)度的陰極，因此在強(qiáng)流爆炸發(fā)射陰極的應(yīng)用上受到了極大的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種場(chǎng)增強(qiáng)因子大、電子發(fā)射性能好、大長(zhǎng)徑比碳纖維和/或SiC晶須摻雜的石墨復(fù)合陰極及其制備方法。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種石墨復(fù)合陰極，所述石墨復(fù)合陰極主要以石墨粉和/或炭黑粉為基體材料、以碳纖維和/或SiC晶須為摻雜材料、以中溫瀝青為粘接劑制備而成。
[0008]上述的石墨復(fù)合陰極中，優(yōu)選的，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述石墨粉和/或炭黑粉(基體材料)為60%?70%，所述碳纖維和/或SiC晶須(摻雜材料)為1%?15%，所述中溫瀝青為20%?30%。
[0009]上述的石墨復(fù)合陰極中，優(yōu)選的，所述石墨粉包括石油焦石墨粉和鱗片石墨粉中的一種或兩種。
[0010]作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種石墨復(fù)合陰極的制備方法，包括以下步驟:
(1)陰極材料的配料:分別稱量石墨粉和/或炭黑粉、碳纖維和/或SiC晶須、中溫瀝青作為陰極材料，其中，以石墨粉和/或炭黑粉為基體材料，以碳纖維和/或SiC晶須為摻雜材料；
(2)混合粉料的制備:將摻雜材料和分散劑加入水中，形成摻雜材料的分散液，在摻雜材料的分散液中加入基體材料和中溫瀝青粉，經(jīng)球磨后，得到漿料，所得漿料經(jīng)油浴蒸干，得到混合粉料；
(3)混合粉料的混捏:將混合粉料進(jìn)行混捏，所得混合粉體進(jìn)行破碎和過篩；
(4)混合粉體的成型:根據(jù)所需坯體尺寸，稱取過篩后的混合粉體進(jìn)行壓制，然后對(duì)所得坯體進(jìn)行等靜壓處理；
(5)坯體的浸漬與焙燒:在惰性氣體保護(hù)下，將等靜壓處理后的坯體先進(jìn)行一次焙燒，一次焙燒后置于熔融瀝青中進(jìn)行浸漬，浸漬后再進(jìn)行二次焙燒；
(6)陰極加工:將二次焙燒后的坯體加工成預(yù)設(shè)尺寸的陰極，得到石墨復(fù)合陰極。
[0011]上述的石墨復(fù)合陰極的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟(I)中，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述石墨粉和/或炭黑粉為60%?70%，所述碳纖維和/或SiC晶須為1%?15%，所述中溫瀝青為20%?30% 0
[0012]上述的石墨復(fù)合陰極的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，當(dāng)所述摻雜材料為碳纖維時(shí)，所述分散劑為十二烷基苯磺酸鈉；當(dāng)所述摻雜材料為SiC晶須時(shí)，所述分散劑為六偏磷酸鈉。
[0013]上述的石墨復(fù)合陰極的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，當(dāng)所述摻雜材料為碳纖維時(shí)，所述碳纖維與所述分散劑的質(zhì)量比為5?20:1;當(dāng)所述摻雜材料為SiC晶須時(shí)，所述S i C晶須與所述分散劑的質(zhì)量比為1?50:1。
[0014]上述的石墨復(fù)合陰極的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟(3)中，所述混捏的溫度為130°C?160°C，所述混捏的時(shí)間為5min?30min，所述過篩為過120目篩。
[0015]上述的石墨復(fù)合陰極的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟(4)中，所述壓制的壓力為120MPa?180MPa，所述壓制的時(shí)間為2min?4min;所述等靜壓處理的壓力為180MPa?250MPa，所述等靜壓處理的時(shí)間為Imin?4min。
[0016]上述的石墨復(fù)合陰極的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟(5)中，所述一次焙燒的溫度為900°C?1200°C，所述一次焙燒的時(shí)間為12h?48h;所述二次焙燒的溫度為900°C?1000 0C，所述二次焙燒的時(shí)間為6h?24h。
[0017]本發(fā)明制備方法的步驟(4)中，混合粉體的稱取量是根據(jù)實(shí)際需要的坯體尺寸來確定的，即可以只稱取部分混合粉體來壓制坯體。
[0018]本發(fā)明制備方法的步驟(2)中，球磨時(shí)間通常為6h?24h。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
1.本發(fā)明的石墨復(fù)合陰極以石墨粉和/或炭黑粉為基體材料，以碳纖維和/或SiC晶須為石墨基體的摻雜材料，可以提高陰極材料的場(chǎng)增強(qiáng)因子，以中溫瀝青作為粘接劑，可促進(jìn)陰極材料的致密化。本發(fā)明摻雜石墨復(fù)合陰極具有優(yōu)良的電子發(fā)射性能，碳纖維或碳化硅晶須的長(zhǎng)度可達(dá)毫米量級(jí)，長(zhǎng)徑比最大可達(dá)1000以上，即具有較大的場(chǎng)增強(qiáng)因子，從而保證了陰極良好的電子發(fā)射性能。
[0020]2.本發(fā)明摻雜石墨復(fù)合陰極的均勻性好，碳纖維和/或碳化硅晶須均勻的分布在石墨坯體內(nèi)，可以保證均勻的電子發(fā)射。
[0021]3.本發(fā)明摻雜石墨復(fù)合陰極具有較長(zhǎng)的使用壽命。碳纖維和/或碳化硅晶須為體摻雜，整個(gè)陰極刃口的材料組成和結(jié)構(gòu)完全相同，當(dāng)陰極表層的物質(zhì)被消耗掉后，露出的新的表面仍具有相同的電子發(fā)射能力，可以保證陰極在重復(fù)頻率下的長(zhǎng)時(shí)間工作，即陰極具有較長(zhǎng)的使用壽命。
[0022]4.本發(fā)明的石墨復(fù)合陰極的制備方法簡(jiǎn)單方便，成本低廉，可操作性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例中采用的分散裝置示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中所用短切碳纖維的微觀形貌圖。
[0025]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的碳纖維摻雜石墨復(fù)合陰極的微觀結(jié)構(gòu)。
[0026]圖4為本發(fā)明實(shí)施例4中所用SiC晶須的微觀形貌圖。
[0027]圖5為本發(fā)明實(shí)施例4所制備的SiC晶須摻雜石墨復(fù)合陰極的微觀結(jié)構(gòu)。
[0028]圖例說明:
1、攪拌器;2、燒杯;3、分散液;4、超聲波振蕩儀;5、水。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0030]以下實(shí)施例中所采用的材料和儀器均為市售。
[0031]實(shí)施例1:
一種本發(fā)明的石墨復(fù)合陰極，具體為大長(zhǎng)徑比碳纖維摻雜石墨復(fù)合陰極，該石墨復(fù)合陰極是由石墨粉體、碳纖維和中溫瀝青制備而成。
[0032]本實(shí)施例中，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，石墨粉體的含量為70