CN103065906B - 碳纤维环形阴极的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维环形阴极的制备方法，所述碳纤维环形阴极是由已成型的碳纤维环形阴极材料直接装夹到阴极座上制备得到，所述碳纤维环形阴极材料是由碳纤维片式阴极材料沿长度方向弯折成环形后制备得到，所述碳纤维片式阴极材料为三层复合夹芯型结构，该三层复合夹芯型结构包括位于外侧的两片金属箔和由两片金属箔夹持的碳纤维布。本发明的方法使碳纤维环形阴极具有较强的可设计性，电子发射端沿轴向均匀分布的碳纤维保证了发射电子的方向性和均匀性，本发明工艺简单、成本低廉，可操作性强，能满足不同电子发射性能的要求。

Description

碳纤维环形阴极的制备方法

技术领域

本发明涉及一种实用化碳纤维阴极的制备方法，具体涉及一种碳纤维环形阴极的制备方法，在强流脉冲电子束技术与应用、高功率微波等领域具有重要的实用价值。

背景技术

高质量长脉冲强流电子束的产生一直是强流脉冲电子束技术与应用研究领域的重要目标之一，也是发展高功率微波（HPM：High Power Microwave）源的关键技术之一。产生强流电子束的实用化阴极主要有平板状、柱状和环形三种。平板状和柱状阴极的发射面积大，发射电流大，电流密度小；环形阴极的发射面积小，发射电流小，电流密度大。探索和发展实用化的且发射电流密度大、阴极等离子体膨胀速度小、重复性好、使用寿命长的新型阴极是该领域研究进展的重要基础。

近年来，国外开展了许多有关于碳纤维阴极材料的研究工作，结果表明，处于金属和介电阴极之间的碳纤维阴极在性能上具备许多优点，主要表现在：碳纤维阴极的阈值电压低，电流密度大，发射均匀，二极管本底气压变化小、寿命较长，并且表面浸渍碘化铯（CsI）后可以显著降低等离子膨胀速度。这些特点使碳纤维材料有望成为理想的阴极材料。

在碳纤维阴极的制备工艺上，国外多采用束丝碳纤维、碳纤维布和碳纤维毡制备碳纤维阴极，它们主要是采用有机粘接剂（如环氧树脂）将纤维与基板材料组合起来或将碳纤维直接塞紧。如美国Eusebio Garate与Roger D. McWilliams 1995年3月发表在Review of Scientific Instruments（科学仪器评论）杂志上的论文“Novel cathode for field-emission application（用于场发射的新型阴极）”中，用薄石墨板为衬底，根据阴极尺寸大小，通过机械方法，加工出整列排布的小孔，将纤维束排布其中，并采用环氧树脂粘接剂将纤维束固定，然后将石墨板用氰基丙稀酸盐粘接剂与铝板连接，从而形成类似于“毛刷”结构的阴极。纤维的数量由孔洞的直径及间距决定。该碳纤维阴极制备技术适合用于平板状阴极。美国Amnon Fisher与Eusebio Garate在1998年发表于第12届国际高功率粒子束会议文集（Proceedings of the 12th international conference on high power particles beams）上的论文“Long pulse electron beams produced from carbon fiber cathodes（由碳纤维阴极所产生的长脉冲电子束）”中还以类似方法加工了环状和针状碳纤维阴极，但所加工的环状阴极的碳纤维的平整性及均匀性难以满足高品质电子束发射的需要。美国R. Prohaska与A. Fisher于1982年发表在Review of Scientific Instruments（科学仪器评论）杂志上的论文“Field emission cathodes using commercial carbon（使用商用碳纤维的场发射阴极）”中，将束丝碳纤维插入金属管中并塞紧，得到类似于毛笔状碳纤维阴极。美国D. Shiffler等人在2004年申请的专利“Field Emission Cold Cathode”（U. S. Patent 6683399）中公布了类天鹅绒碳纤维（carbon velvet）阴极的制备方法。该专利采用将类天鹅绒的碳纤维毡（商品名为Vel-Black®，美国Energy Science Laboratories Inc.生产）粘合在阴极座表面的方法制备纤维轴向垂直于发射端面的碳纤维阴极，并在碳纤维表面涂覆CsI盐。类天鹅绒的碳纤维毡是采用静电植绒的方法制备得到的。D. Shiffler 和 J. Heggemeier等人于2004年4月发表在Physics of Plasmas（等离子物理）杂志上的论文“Low level plasma formation in a carbon velvet cesium iodide coated cathode（涂覆CsI的类天鹅绒碳阴极的低等离子体形成）”中对类天鹅绒碳纤维阴极的强流电子发射性能进行了研究。但是，到目前为止，还没有关于类天鹅绒碳纤维环形阴极的研究报道。国内的刘列等人于2009年发表在Review of Scientific Instruments（科学仪器评论）杂志上的论文“Robust, easily shaped, and epoxy-free carbon-fiber-aluminum cathodes for generating high-current electron beams（用于产生高密度电子束的耐用、易成型、无环氧的碳纤维铝阴极）”的文章中提出了通过将液态金属渗入碳纤维预制件中，然后通过机械加工和金属基体的控制腐蚀来制备碳纤维复合阴极的方法。上述文献提供的技术主要适用于制备平板状或柱状碳纤维阴极，难以制备出碳纤维环形阴极。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种使碳纤维环形阴极的可设计性较强，能保证发射电子的方向性和均匀性、工艺简单、成本低廉，可操作性强的碳纤维环形阴极的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种碳纤维环形阴极的制备方法，所述的碳纤维环形阴极是由已成型的碳纤维环形阴极材料直接装夹到阴极座上制备得到，所述碳纤维环形阴极材料是由碳纤维片式阴极材料沿长度方向弯折成环形后制备得到，所述碳纤维片式阴极材料为三层复合夹芯型结构，该三层复合夹芯型结构包括位于外侧的两片金属箔和由两片金属箔夹持的碳纤维布；所述碳纤维布的宽度≥D+W，其中D表示所述金属箔的宽度，W表示所述碳纤维环形阴极的发射端面所需碳纤维的长度（另外，L表示所述金属箔的长度）。

上述的技术方案中，所述金属箔为铜箔、铝箔、不锈钢箔中的一种。

上述的技术方案中，所述碳纤维布为正交编织布或单向无纬布。

上述的技术方案中，所述碳纤维片式阴极材料的制作工艺包括以下步骤：

（1）裁剪出矩形的所述碳纤维布和所述金属箔，所述碳纤维布的矩形边平行于其经线或纬线；

（2）对两片金属箔单面涂覆有机粘接剂，然后与所述碳纤维布组合成金属箔/碳纤维布/金属箔的三层复合夹芯型结构，将所述碳纤维布与所述金属箔的底端和侧端对齐；

（3）将上述材料放置于模具中，采用有机粘接剂的固化工艺进行加工，即在恒定压力下经过两次升温与保温过程，使有机粘接剂固化，待模具冷却后，得到片式阴极材料。

上述的技术方案中，所述固化工艺的固化机制包括：恒定压力为0.05MPa～0.2MPa，第一次升温至80℃～140℃，保温30min～120min，第二次升温至160℃～220℃，保温30min～120min。

上述的技术方案中，所述碳纤维布的厚度≤0.4mm，所述金属箔的厚度≤0.05mm。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1. 本发明的方法可以方便地实现碳纤维环形阴极的可设计性。通过改变碳纤维片式阴极材料的长度可以改变碳纤维环形阴极的直径，而改变碳纤维布的宽度则可以改变碳纤维环形阴极发射端面的碳纤维长度，从而可满足不同电子发射性能的要求。

2. 本发明可以使碳纤维沿环形阴极的轴向平行排列，且纤维分布均匀，从而保证了发射电子的方向性和均匀性。

3. 本发明工艺简单，成本低廉，可操作性强，利用本发明制备的碳纤维环形阴极的电子发射效果好，主要表现为电流-电压波形稳定，二极管启动时间快，发射均匀性好、发射电流大。

附图说明

图1是本发明的碳纤维环形阴极的制备工艺流程图。

图2是本发明实施例中碳纤维片式阴极材料的主视结构示意图。

图3是本发明实施例中碳纤维片式阴极材料的俯视结构示意图。

图4是本发明实施例中碳纤维片式阴极材料的侧视结构示意图。

图5是本发明实施例中碳纤维片式阴极材料的实物照片。

图6是本发明实施例中碳纤维环形阴极材料的主视结构示意图。

图7是本发明实施例中碳纤维环形阴极材料的俯视结构示意图。

图8是本发明实施例中碳纤维环形阴极的实物照片。

图9 是本发明实施例中在SINUS-881装置上实验得到的碳纤维环形阴极的电流-电压波形图。

图10是本发明实施例中在SINUS-881装置上实验得到的石墨环形阴极的电流-电压波形图。

图例说明：1-碳纤维布；2-铜箔。

具体实施方式

实施例

一种外径为39mm的碳纤维环形阴极的制备方法，包括以下步骤：

1. 碳纤维片式阴极材料的制作：

（1）准备一块厚度约为0.2mm的T300碳纤维正交编织布，沿平行于该碳纤维正交编织布的经线和纬线方向将其裁剪为122.5mm×12mm的矩形碳纤维布1，再将两片厚度均为0.05mm的铜箔分别裁剪为122.5mm×10mm的矩形铜箔2；

（2）将两片矩形铜箔2的表面涂覆环氧树脂粘接剂，每一片铜箔2只涂覆一个表面，将矩形碳纤维布1与两片铜箔2组合成铜箔2/碳纤维布1/铜箔2的三层复合夹芯型结构，两片铜箔2位于外侧，将碳纤维布1夹持于中间，铜箔2与碳纤维布1的底端和侧端对齐，铜箔2上涂覆着有机粘接剂的表面与碳纤维布1的表面相粘接；

（3）将上述材料放置于模具中，沿法线方向均匀施加的恒定压力为0.1MPa，利用固化箱先将模具加热到120℃，保温60min后，再加热到200℃，再保温60min，使有机粘接剂固化，两片铜箔2与碳纤维布1粘接在一起，待模具冷却后，即得到碳纤维片式阴极材料（如图2、3、4和5所示）。

2. 碳纤维环形阴极的制备：将上述碳纤维片式阴极材料沿长度方向弯折成碳纤维环形阴极材料（如图6和图7所示），将碳纤维环形阴极材料的三层复合夹芯部分全部装设于阴极座中，露出2mm长的碳纤维布，将环向的碳纤维抽除，沿轴向均匀分布的碳纤维即为碳纤维环形阴极的电子发射端，轴向碳纤维与发射端面垂直，形成碳纤维环形阴极（如图8所示）。

如图9和图10所示，是采用本发明的方法制备的碳纤维环形阴极和同尺寸石墨（商品名AFM5，美国POCO石墨制品公司生产）环形阴极在SINUS-881装置（一种俄罗斯引进的可产生高功率微波的装置）上实验得到的电子发射曲线。图中的纵坐标表示发射电流或激励电压，横坐标表示时间。实验条件均为：阴阳极间距1.2cm，主开关气压为10个大气压。图9的实验曲线显示，碳纤维环形阴极在460kV的激励电压驱动下，发射的电流为19.2kA，电流发射的延迟时间为3.4ns。图10的实验曲线显示，石墨环形阴极在485kV的激励电压驱动下，发射的电流为18.5kA，电流发射的延迟时间为3.6ns。对比图9和图10可以看出，碳纤维环形阴极的电流-电压波形与石墨环形阴极类似，但碳纤维环形阴极的电流波形上升前沿陡、电流大、二极管启动时间快、阴极发射均匀性好，即碳纤维环形阴极比石墨环形阴极具有更好的电子发射性能。

Claims (6)

1.一种碳纤维环形阴极的制备方法，其特征在于，所述碳纤维环形阴极是由已成型的碳纤维环形阴极材料直接装夹到阴极座上制备得到，所述碳纤维环形阴极材料是由碳纤维片式阴极材料沿长度方向弯折成环形后制备得到，所述碳纤维片式阴极材料为三层复合夹芯型结构，该三层复合夹芯型结构包括位于外侧的两片金属箔和由两片金属箔夹持的碳纤维布；所述碳纤维布的宽度≥D+W，其中D表示所述金属箔的宽度，W表示所述碳纤维环形阴极的发射端面所需碳纤维的长度。

2.根据权利要求1所述的碳纤维环形阴极的制备方法，其特征在于，所述金属箔为铜箔、铝箔、不锈钢箔中的一种。

3.根据权利要求1所述的碳纤维环形阴极的制备方法，其特征在于，所述碳纤维布为正交编织布或单向无纬布。

4.根据权利要求1所述的碳纤维环形阴极的制备方法，其特征在于，所述碳纤维片式阴极材料的制作工艺包括以下步骤：

（1）裁剪出矩形的碳纤维布和金属箔，所述碳纤维布的矩形边平行于其经线或纬线；

（2）对两片金属箔单面涂覆有机粘接剂，然后与所述碳纤维布组合成金属箔/碳纤维布/金属箔的三层复合夹芯型结构，将所述碳纤维布与所述金属箔的底端和侧端对齐；

（3）将上述金属箔/碳纤维布/金属箔的三层复合夹芯型结构放置于模具中，采用有机粘接剂的固化工艺进行加工，待模具冷却后，得到碳纤维片式阴极材料。

5.根据权利要求4所述的碳纤维环形阴极的制备方法，其特征在于，所述固化工艺的固化机制包括：恒定压力为0.05MPa～0.2MPa，第一次升温至80℃～140℃，保温30min～120min，第二次升温至160℃～220℃，保温30min～120min。

6.根据权利要求4所述的碳纤维环形阴极的制备方法，其特征在于，所述碳纤维布的厚度≤0.4mm，所述金属箔的厚度≤0.05mm。