石墨复合阴极及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种石墨复合阴极及其制备方法，特别涉及一种大长径比纤维或晶须掺杂石墨复合阴极及其制备方法，可应用于强流脉冲电子束技术、高功率微波等领域。
【背景技术】
[0002]高功率微波源(HPM源)通过真空二极管阴极发射的高功率电子束在一定的电磁结构中进行束波能量交换，将电子束的能量转化为电磁波的能量，从而产生高功率微波。因此阴极是高功率微波系统中至关重要的部件。
[0003]近年来HPM源用阴极材料研究主要集中在金属、天鹅绒和石墨上。金属阴极对真空要求低，爆炸过程中产生大量的等离子体并形成强流电子发射。但金属阴极的缺点较多:金属的电子发射阈值电场较高，因而发射启动较慢;金属在爆炸发射过程中表面易熔化而破坏，导致发射电流大大下降；金属阴极在发射过程中材料熔化蒸发严重，导致等离子体膨胀速度过快，有效二极管间隙迅速缩短，造成二极管阻抗和电流不稳定。天鹅绒有很高的形状场增强因子，具有发射阈值低(ES 14 V/cm)、启动延迟时间短(<10 ns)、发射电流密度大等优点。但天鹅绒阴极也有高放气率、易烧损等缺点，使其在重频HPM系统中的应用受到了很大的限制。石墨是以SP2杂化轨道的碳原子六边形网格为主体的炭素材料的总称。石墨材料具有良好的耐高温(>3500°C)、导热和导电性能、稳定性好、成本低等优点，并且易于加工成形。作为爆炸发射阴极，石墨则表现出低出气率和长寿命的优点，被广泛应用于高阻抗HPM源(如相对论返波振荡器)中，是产生重频长脉冲HPM的重要候选阴极材料。然而，石墨阴极存在发射电子束流均匀性较差，电流密度较低、发射阈值较高的缺点，此外，石墨阴极经重复频率电子发射后，多脉冲次数后环形石墨边缘明显变平滑，导致场增强效果减弱，发射性能降低。
[0004]碳纤维作为最重要的纤维类材料，已经在高功率微波源用阴极上得到了较多的研究。研究结果表明，碳纤维阴极放气率低，等离子体膨胀速率小，当等离子体大面积覆盖在阴极表面时其膨胀速率约为1.0?2.0cm/ys，此外碳纤维熔点极高，真空氛围下耐高温烧蚀，使用寿命长达16次以上。由于碳纤维具有较大的长径比，可以达到几十甚至数千，碳纤维阴极的综合发射性能较好，但如何制备出纤维分布均匀可控且满足形状尺寸要求的阴极是其工程化应用所面临的主要困难，此外，碳纤维阴极还存在着结构均匀性难以控制的问题。
[0005]SiC晶须与碳纤维类似，也是一种具有较大长径比的材料，并且其晶体内杂质少，具有高度取向性，因此晶须类材料也是一类重要的电子发射材料。Zhengwei Pan等认为碳化硅纳米线具有较低的电子发射阈值，并且具有电流密度高，发射性能稳定的特点(Zhengwei Pan, Hau-Ling Lai，Frederick C.K.Au，et al，Oriented SiliconCarbide Nanowires: Synthesis and Field Emiss1n Properties.Adv.Mater.,2000，12(6)，1186-1190)。但是，碳化硅晶须(或纳米线)难以制成尺寸较大且具有一定强度的阴极，因此在强流爆炸发射阴极的应用上受到了极大的限制。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种场增强因子大、电子发射性能好、大长径比碳纤维和/或SiC晶须掺杂的石墨复合阴极及其制备方法。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
一种石墨复合阴极，所述石墨复合阴极主要以石墨粉和/或炭黑粉为基体材料、以碳纤维和/或SiC晶须为掺杂材料、以中温沥青为粘接剂制备而成。
[0008]上述的石墨复合阴极中，优选的，按质量分数计，所述石墨粉和/或炭黑粉(基体材料)为60%?70%，所述碳纤维和/或SiC晶须(掺杂材料)为1%?15%，所述中温沥青为20%?30%。
[0009]上述的石墨复合阴极中，优选的，所述石墨粉包括石油焦石墨粉和鳞片石墨粉中的一种或两种。
[0010]作为一个总的技术构思，本发明还提供一种石墨复合阴极的制备方法，包括以下步骤:
(1)阴极材料的配料:分别称量石墨粉和/或炭黑粉、碳纤维和/或SiC晶须、中温沥青作为阴极材料，其中，以石墨粉和/或炭黑粉为基体材料，以碳纤维和/或SiC晶须为掺杂材料；
(2)混合粉料的制备:将掺杂材料和分散剂加入水中，形成掺杂材料的分散液，在掺杂材料的分散液中加入基体材料和中温沥青粉，经球磨后，得到浆料，所得浆料经油浴蒸干，得到混合粉料；
(3)混合粉料的混捏:将混合粉料进行混捏，所得混合粉体进行破碎和过筛；
(4)混合粉体的成型:根据所需坯体尺寸，称取过筛后的混合粉体进行压制，然后对所得坯体进行等静压处理；
(5)坯体的浸渍与焙烧:在惰性气体保护下，将等静压处理后的坯体先进行一次焙烧，一次焙烧后置于熔融沥青中进行浸渍，浸渍后再进行二次焙烧；
(6)阴极加工:将二次焙烧后的坯体加工成预设尺寸的阴极，得到石墨复合阴极。
[0011]上述的石墨复合阴极的制备方法中，优选的，所述步骤(I)中，按质量分数计，所述石墨粉和/或炭黑粉为60%?70%，所述碳纤维和/或SiC晶须为1%?15%，所述中温沥青为20%?30% 0
[0012]上述的石墨复合阴极的制备方法中，优选的，所述步骤(2)中，当所述掺杂材料为碳纤维时，所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠；当所述掺杂材料为SiC晶须时，所述分散剂为六偏磷酸钠。
[0013]上述的石墨复合阴极的制备方法中，优选的，所述步骤(2)中，当所述掺杂材料为碳纤维时，所述碳纤维与所述分散剂的质量比为5?20:1;当所述掺杂材料为SiC晶须时，所述S i C晶须与所述分散剂的质量比为1?50:1。
[0014]上述的石墨复合阴极的制备方法中，优选的，所述步骤(3)中，所述混捏的温度为130°C?160°C，所述混捏的时间为5min?30min，所述过筛为过120目筛。
[0015]上述的石墨复合阴极的制备方法中，优选的，所述步骤(4)中，所述压制的压力为120MPa?180MPa，所述压制的时间为2min?4min;所述等静压处理的压力为180MPa?250MPa，所述等静压处理的时间为Imin?4min。
[0016]上述的石墨复合阴极的制备方法中，优选的，所述步骤(5)中，所述一次焙烧的温度为900°C?1200°C，所述一次焙烧的时间为12h?48h;所述二次焙烧的温度为900°C?1000 0C，所述二次焙烧的时间为6h?24h。
[0017]本发明制备方法的步骤(4)中，混合粉体的称取量是根据实际需要的坯体尺寸来确定的，即可以只称取部分混合粉体来压制坯体。
[0018]本发明制备方法的步骤(2)中，球磨时间通常为6h?24h。
[0019]与现有技术相比，本发明的优点在于:
1.本发明的石墨复合阴极以石墨粉和/或炭黑粉为基体材料，以碳纤维和/或SiC晶须为石墨基体的掺杂材料，可以提高阴极材料的场增强因子，以中温沥青作为粘接剂，可促进阴极材料的致密化。本发明掺杂石墨复合阴极具有优良的电子发射性能，碳纤维或碳化硅晶须的长度可达毫米量级，长径比最大可达1000以上，即具有较大的场增强因子，从而保证了阴极良好的电子发射性能。
[0020]2.本发明掺杂石墨复合阴极的均匀性好，碳纤维和/或碳化硅晶须均匀的分布在石墨坯体内，可以保证均匀的电子发射。
[0021]3.本发明掺杂石墨复合阴极具有较长的使用寿命。碳纤维和/或碳化硅晶须为体掺杂，整个阴极刃口的材料组成和结构完全相同，当阴极表层的物质被消耗掉后，露出的新的表面仍具有相同的电子发射能力，可以保证阴极在重复频率下的长时间工作，即阴极具有较长的使用寿命。
[0022]4.本发明的石墨复合阴极的制备方法简单方便，成本低廉，可操作性强。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的实施例中采用的分散装置示意图。
[0024]图2为本发明实施例1中所用短切碳纤维的微观形貌图。
[0025]图3为本发明实施例1所制备的碳纤维掺杂石墨复合阴极的微观结构。
[0026]图4为本发明实施例4中所用SiC晶须的微观形貌图。
[0027]图5为本发明实施例4所制备的SiC晶须掺杂石墨复合阴极的微观结构。
[0028]图例说明:
1、搅拌器;2、烧杯;3、分散液;4、超声波振荡仪;5、水。
【具体实施方式】
[0029]以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
[0030]以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
[0031]实施例1:
一种本发明的石墨复合阴极，具体为大长径比碳纤维掺杂石墨复合阴极，该石墨复合阴极是由石墨粉体、碳纤维和中温沥青制备而成。
[0032]本实施例中，按质量分数计，石墨粉体的含量为70