CN102515810A - 一种具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料的制备方法 - Google Patents

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夏莉红
梁世栋
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Abstract

一种具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料的制备方法，首先编织高取向碳纤维预制体，使得碳纤维预制体中的碳纤维沿轴向分布；将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，以C3H6为碳源气、N2为稀释气，实施化学气相渗碳得到基体碳，控制C3H6:N2体积比为1.5～4:1、炉温为1000～1100℃、炉压为22～30kPa，累计化学气相渗碳400～500h后出炉；置于高温炉实施最终石墨化处理，随炉冷却即得具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料。本发明为具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料的制备提供了一种切实可行的方法。

Description

一种具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳基复合材料的制备方法，特别是一种碳基复合阴极材料的化学气相渗制备方法。
背景技术
石墨是高功率微波中电子束二极管阴极的常用材料。由于石墨材料易碎、粉尘较大，而且易吸附气体，在使用过程中经常污染真空环境，严重影响高功率微波器件的工作性能。因此急需发展新型阴极材料。碳基复合阴极材料是由碳纤维增强碳基体的复合材料，它既改善了石墨材料易碎、粉尘较大及易吸附气体等缺点，同时也保持了石墨耐高温、电子发射均匀等优点，已成为高取向发射特性阴极材料的发展方向。
获得具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料的关键是仅可能保留增强体碳纤维空间排布的方向性和基体碳结构的高织构化。化学气相渗碳工艺是制备高性能碳基复合阴极材料的首选方法，该方法制备的基体热解碳具有结构均匀、完整、致密性好等优点。但缺点是基体热解碳结构难以控制。化学气相渗碳是一个复杂的工艺过程，在这一过程中，碳源气体在1000 ℃高温条件下，裂解出碳，并沉积到碳纤维表面，形成基体热解碳。生成的基体热解碳主要有三种典型的结构类型，分别是低织构的各向同性热解碳、中织构的光滑层结构热解碳，以及高织构的粗糙层结构热解碳。基体热解碳的结构主要受碳源气体在预制体中的流动、裂解和沉积过程控制。因此，必须采用特殊工艺，控制碳源气体在预制体中的流动、裂解和沉积过程，获得高织构热解碳基体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在高取向碳纤维预制体上获取高织构热解碳基体的化学气相渗碳制备方法。
本发明是采用下述方案实现的：
1）编织高取向碳纤维预制体，使得碳纤维预制体中的碳纤维沿轴向分布，夹角为0～15度；
2）将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，以C3H6为碳源气、N2为稀释气，实施化学气相渗碳得到基体碳，控制C3H6 :N2体积比为1.5～4:1、炉温为1000～1100 ℃、炉压为22～30 kPa，累计化学气相渗碳400～500 h后出炉，其间进行3～6次中间石墨化处理；
3）置于高温炉实施最终石墨化处理，控制炉内气氛为氩气0.11～0.13Mpa、炉温为2400～2700 ℃、保温时间为1～2h,随炉冷却即得具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料。
所述具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料中的碳纤维预制体表观密度为0.81 g/cm3～1.2 g/cm3。
所述具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料的基体碳为高织构热解碳，其石墨化度为90%～100%。
所述具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料在制备过程中必须经过中间石墨化处理，处理温度为2000～2200 ℃，其他工艺参数与最终石墨化处理相同。
本发明由于采用上述工艺方法，因而，具有如下优点和积极效果： 
1、采用C3H6 :N2体积比为1.5～4:1的高体积比，保证碳基复合材料的快速渗碳。
2、采用22～30 kPa的高炉压，保证碳基复合材料的均匀化学气相渗碳，避免产生密度不均匀性。
3、通过1和2 ，保证碳基复合材料中基体热解碳的高织构化。
4、采用本发明，以表观密度为0.86 g/cm3的碳纤维预制体，经400～500 h化学气相渗碳，即可制备表观密度为1.87 g/cm3的碳基复合材料，材料轴向抗拉强度为126 Mpa，热膨胀系数为2.6                                                10-6/℃，热导率为56 W/mK、发射电流密度大于1kA/cm2。
综上所述，本发明--- 一种具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料，通过采用高取向碳纤维预制体，控制碳源气体在预制体中的流动、裂解和沉积过程，获得高织构热解碳基体，为具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料的制备提供了一种切实可行的方法。 
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
实施例 1 
编织高取向碳纤维预制体，使得碳纤维预制体中的碳纤维沿轴向分布，夹角为1度；将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，以C3H6为碳源气、N2为稀释气，实施化学气相渗碳得到基体碳，控制C3H6 :N2体积比为1.5:1、炉温为1000～1100 ℃、炉压为30 kPa，累计化学气相渗碳500 h后出炉，其间进行5次中间石墨化处理；置于高温炉实施石墨化处理，控制炉内气氛为氩气0.11Mpa、炉温为2400℃、保温时间为2h,随炉冷却即得本发明的具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料。
实施例 2 
编织高取向碳纤维预制体，使得碳纤维预制体中的碳纤维沿轴向分布，夹角为4度；将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，以C3H6为碳源气、N2为稀释气，实施化学气相渗碳得到基体碳，控制C3H6 :N2体积比为2:1、炉温为1000～1100 ℃、炉压为28 kPa，累计化学气相渗碳500 h后出炉，其间进行5次中间石墨化处理；置于高温炉实施石墨化处理，控制炉内气氛为氩气0.11Mpa、炉温为2400 ℃、保温时间为2h,随炉冷却即得本发明的具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料。
实施例 3 
编织高取向碳纤维预制体，使得碳纤维预制体中的碳纤维沿轴向分布，夹角为8度；将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，以C3H6为碳源气、N2为稀释气，实施化学气相渗碳得到基体碳，控制C3H6 :N2体积比为2.5:1、炉温为1000～1100 ℃、炉压为26 kPa，累计化学气相渗碳400 h后出炉，其间进行5次中间石墨化处理；置于高温炉实施石墨化处理，控制炉内气氛为氩气0.12Mpa、炉温为2500 ℃、保温时间为2h,随炉冷却即得本发明的具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料。
实施例 4 
编织高取向碳纤维预制体，使得碳纤维预制体中的碳纤维沿轴向分布，夹角为10度；将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，以C3H6为碳源气、N2为稀释气，实施化学气相渗碳得到基体碳，控制C3H6 :N2体积比为3:1、炉温为1000～1100 ℃、炉压为24 kPa，累计化学气相渗碳450 h后出炉，其间进行4次中间石墨化处理；置于高温炉实施石墨化处理，控制炉内气氛为氩气0.12Mpa、炉温为2500 ℃、保温时间为1.5h,随炉冷却即得本发明的具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料。
实施例 5 
编织高取向碳纤维预制体，使得碳纤维预制体中的碳纤维沿轴向分布，夹角为15度；将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，以C3H6为碳源气、N2为稀释气，实施化学气相渗碳得到基体碳，控制C3H6 :N2体积比为3.5:1、炉温为1000～1100 ℃、炉压为22 kPa，累计化学气相渗碳450 h后出炉，其间进行4次中间石墨化处理；置于高温炉实施石墨化处理，控制炉内气氛为氩气0.12Mpa、炉温为2600 ℃、保温时间为1.5h,随炉冷却即得本发明的具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料。
实施例 6 
编织高取向碳纤维预制体，使得碳纤维预制体中的碳纤维沿轴向分布，夹角为7度；将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，以C3H6为碳源气、N2为稀释气，实施化学气相渗碳得到基体碳，控制C3H6 :N2体积比为4:1、炉温为1000～1100 ℃、炉压为21 kPa，累计化学气相渗碳400 h后出炉，其间进行3次中间石墨化处理；置于高温炉实施石墨化处理，控制炉内气氛为氩气0.13Mpa、炉温为2600 ℃、保温时间为1h,随炉冷却即得本发明的具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料。
实施例 7 
编织高取向碳纤维预制体，使得碳纤维预制体中的碳纤维沿轴向分布，夹角为5度；将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，以C3H6为碳源气、N2为稀释气，实施化学气相渗碳得到基体碳，控制C3H6 :N2体积比为3:1、炉温为1000～1100 ℃、炉压为21 kPa，累计化学气相渗碳400 h后出炉，其间进行3次中间石墨化处理；置于高温炉实施石墨化处理，控制炉内气氛为氩气0.13Mpa、炉温为2700 ℃、保温时间为1h,随炉冷却即得本发明的具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料。
实施例 8 
编织高取向碳纤维预制体，使得碳纤维预制体中的碳纤维沿轴向分布，夹角为2度；将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，以C3H6为碳源气、N2为稀释气，实施化学气相渗碳得到基体碳，控制C3H6 :N2体积比为3:1、炉温为1000～1100 ℃、炉压为21 kPa，累计化学气相渗碳500 h后出炉，其间进行5次中间石墨化处理；置于高温炉实施石墨化处理，控制炉内气氛为氩气0.12Mpa、炉温为2700 ℃、保温时间为2h,随炉冷却即得本发明的具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料。

Claims (4)

1.一种具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料的制备方法，包括下述步骤： 
1）编织高取向碳纤维预制体，使得碳纤维预制体中的碳纤维沿轴向分布，夹角为0～15度；
2）将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，以C3H6为碳源气、N2为稀释气，实施化学气相渗碳得到基体碳，控制C3H6 :N2体积比为1.5～4:1、炉温为1000～1100 ℃、炉压为22～30 kPa，累计化学气相渗碳400～500 h后出炉，其间进行3～6次中间石墨化处理；
3）置于高温炉实施最终石墨化处理，控制炉内气氛为氩气0.11～0.13Mpa、炉温为2400～2700 ℃、保温时间为1～2h,随炉冷却即得具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料。
2.根据权利要求1所述的具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料的制备方法，其特征在于：所述的碳纤维预制体的表观密度为0.81 g/cm3～1.2 g/cm3。
3. 根据权利要求1所述的具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料的制备方法，其特征在于：所述基体碳为高织构热解碳，其石墨化度为90%～100%。
4. 根据权利要求1所述的具有高取向发射特性的碳基复合阴极材料的制备方法，其特征在于：所述中间石墨化处理的处理温度为2000～2200 ℃，其他工艺参数与最终石墨化处理相同。
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