CN108878233B - 一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法，属于阴极制备领域，该制备方法：通过在碳纤维中加入少量淀粉粘结剂，碳纤维在使用前需进行除胶处理；通过淀粉粘结剂将碳纤维材料粘结成一个整体，实现碳纤维、粘结剂间的协同效应，制成阴极预制体；将阴极预制体碳化，得到碳纤维阴极。本发明得到的阴极，成型完整、表面平整、强度较好；碳纤维分布均匀、无成束的团聚现象，碳纤维之间搭接良好；阴极在使用过程中损坏后，不需要更换阴极，将其表面层打磨后可重复使用；采用淀粉为粘结剂，环保安全，整个制备工艺简单、制作成本低。

Description

一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法

技术领域

本发明属于阴极制备领域，涉及一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法。

背景技术

强流脉冲电子束处理材料表面已成为材料表面改性的有效方法，强流脉冲电子束处理在真空中进行，高能入射的电子束瞬时穿透材料表面，引发表面快速加热、冷却与凝固，从而提高材料表面硬度、耐磨性和耐腐蚀等性能。阴极是电子束发射的关键部件，阴极材料要求表面平整均匀、强度和抗热震性好，表面尖端越多发射的电子束越均匀。碳纤维作为放电材料具备启动时间短、发射阈值低、出气率低、放电稳定和使用寿命长等优点，是阴极制备的理想材料之一。

中国专利(专利号：201110395868.2)公开了一种发射大面积均匀电子束的碳纤维阴极及其制备方法，它由碳纤维束、限流电阻、高压电极和碳纤维束安装盘组成，制备方法是分别制备碳纤维束安装盘、碳纤维束和高压电极，然后将碳纤维束、限流电阻、高压电极和碳纤维束安装盘依次组装焊接在一起，得到发射大面积均匀电子束的碳纤维阴极。所得的碳纤维阴极为各个部件的组合体，阴极在使用过程中损坏后，需要直接更换阴极或者单独更换碳纤维束，单独更换碳纤维束能够节省成本。

邓潘在其硕士学位论文《碳纤维阴极去谢机制及对输出微波脉宽的影响》(国防科学技术大学研究生院，2005)中报道了一种金属基复合碳纤维阴极。其包括单向整列的碳纤维无纬布及预制件的制备、液态金属与预制件的复合及机械成型加工、金属基体的腐蚀四个步骤。

国外采用束丝碳纤维、碳纤维布和碳纤维毡制备碳纤维阴极，主要采用的方法是将成束的碳纤维按一定规律进行约束，然后将约束好的碳纤维与基板材料组合起来或将碳纤维直接塞紧，做成结构类似“毛刷”的碳纤维阴极。

采用以上方法制备的阴极预制体存在以下特点：(1)由碳纤维束、限流电阻、高压电极和碳纤维束安装盘组成的阴极，制备工艺复杂，碳纤维束之间存在间隙，限流电阻等本身存在偏差，每束碳纤维不可能完全保证电子束同时发射，采用该工艺制备的阴极发射电子束均匀性和稳定性难以保证。(2)将碳纤维作为增强材料加入到金属中，虽能保证碳纤维阴极的强度，但碳纤维和金属之间的密度和流动性相差较大，碳纤维容易发生团聚现象，制备工艺复杂，成本高。(3)“毛刷”类碳纤维阴极中，碳纤维束内没有基体支撑，容易松动，碳纤维容易折弯，很难保证每束碳纤维表面平齐，可操作性差。现有技术制备的碳纤维阴极还不能完全满足实际需求。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提供一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法。相比已有的制备方法，本发明整个制备工艺简单，环保，成本低，所制备得到的阴极强度足够，发射的电子束均匀。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法，该制备方法通过在碳纤维中加入少量淀粉粘结剂，通过淀粉粘结剂将碳纤维材料粘结成一个整体，实现碳纤维、粘结剂间的协同效应，制成阴极预制体，最后将阴极预制体碳化，得到阴极。本发明所采用的碳纤维原材料成束状，表面涂有胶层，其表面能低，表面呈现出憎液性，导致碳纤维和粘结剂结合时，两相界面之间的结合差，所以碳纤维在使用前需进行除胶处理；同时除胶处理后，成束的碳纤维会分散成更细的碳纤维丝，碳纤维会变得更加粗糙，产生更多有利于发射电子束的尖端。包括以下步骤：

步骤S10：碳纤维的除胶分散，包括以下子步骤：

步骤S11：将碳纤维与无水乙醇溶液混合，采用超声波清洗机进行超声除胶分散，得到除胶后分散的碳纤维；所述的碳纤维和无水乙醇的质量比为1:30～40，所述的超声清洗的时间为0.5～1.5h。

所述的碳纤维为20cm的长纤维和50mm的短纤维的混合物，长纤维和短纤维的质量比为1～3:4。长纤维之间的缠结作为稳定的支撑“骨架”；并混合其短碳纤维，以增加阴极的发射尖端；长短纤维搭接的结构，内部会产生很多小孔隙，小孔隙形成阴极发射电子束前抽真空的通道，同时小孔隙的存在使得阴极抗热震性好。

步骤S12：过滤后，取出除胶后分散的碳纤维，置于干燥炉中进行干燥，去除残存的无水乙醇；所述的干燥过程的温度为80～100℃，时间为0.5～1h。

步骤S20：制备淀粉粘结剂

将淀粉与去离子水混合，搅拌得到质量分数为10％的淀粉溶液。将淀粉溶液置于95℃的水浴加热炉中进行加热0.2～0.4h，加热过程中需不断机械搅拌。加热完成后冷却至室温，得到具有粘性、流动性良好的淀粉粘结剂。采用淀粉作为粘结剂，无毒无害，客观保证实验人员的人身健康。

所述的淀粉粘结剂是由C、H、O三种元素组成的有机物，氢氧元素可以在碳化过程中以水的形式脱离，不会引入杂质。

步骤S30：碳纤维与淀粉粘结剂混合成型

将步骤S10得到的除胶分散后的碳纤维与步骤S20得到的淀粉粘结剂按质量比3～4:1进行混合，顺时针机械搅拌0.5～1h后，再逆时针机械搅拌0.5～1h，确保碳纤维与淀粉粘结剂混合均匀，得到碳纤维淀粉粘结剂混合物。所述的顺时针机械搅拌和逆时针机械搅拌时间相同。

步骤S40：制备阴极预制体

首先，室温下，将步骤S30混合成型后的碳纤维淀粉粘结剂混合物移至模具中压实、脱水，压实过程中力需均匀加载；然后，将模具送入真空干燥箱，抽真空后升温至200℃，保温2～3h后停止加热；最后，冷却至室温，卸掉模具，得到表面光整均匀、无裂纹的阴极预制体。

步骤S50：碳化制得碳纤维阴极

室温下，将步骤S40制得的阴极预制体放入真空炉中，抽真空后以15℃/min的升温速率升至1500～1800℃，保温2～3h后，以10℃/min的速率随炉冷却至室温，得到碳纤维阴极，所得的碳纤维阴极为均匀的混合体，使用过程中损坏后，不需要更换阴极，将其表面层打磨后即可重复使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)该制备方法得到的阴极，成型完整、表面平整、强度较好；碳纤维分布均匀、无成束的团聚现象，碳纤维之间搭接良好。

(2)本阴极使用过程中不会影响抽真空，抗热震性好，发射的电子束均匀。当阴极表面因发射电子束次数过多而导致电子束发射表面烧蚀后，可以利用砂纸将其表面层打磨平整后继续使用。

(2)使用过程中，该阴极表面因发射电子束次数过多导致电子束发射表面烧蚀，或阴极表面损坏后，不需要更换阴极，将其表面层打磨后可重复使用。

(4)采用淀粉为粘结剂，环保安全，整个制备工艺简单，制作成本低，可靠性高。

附图说明

图1为阴极扫描电镜图一(放大倍数500)；

图2为阴极扫描电镜图二(放大倍数2000)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详述，但不是对本发明的限定。

实施例1

一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备工艺，包括以下步骤：

步骤S10：碳纤维的除胶分散，包括以下步骤：

步骤S11：将碳纤维与无水乙醇溶液混合，碳纤维为20cm的长纤维和50mm的短纤维混合，长碳纤维的质量为8g，短纤维的质量为25g。无水乙醇的质量为1200g，利用超声波清洗机进行超声除胶分散，超声震荡的时间为1h，得到除胶后分散的碳纤维。

步骤S12：取出除胶后分散的碳纤维，置于干燥炉中进行干燥，干燥过程的温度为90℃，保温时间为1h，去除残存的无水乙醇。

步骤S20：淀粉粘结剂制备。

将10g淀粉与90g去离子水混合，搅拌得到淀粉溶液。将淀粉溶液置于95℃的水浴加热炉中进行加热，加热时间为0.3h，加热过程中需不断机械搅拌。加热完成后冷却至室温，得到淀粉粘结剂。

步骤S30：碳纤维与淀粉粘结剂混合成型。

将除胶后分散的碳纤维与淀粉粘结剂混合，顺时针机械搅拌0.5h后，逆时针机械搅拌0.5小时，可确保碳纤维与淀粉粘结剂混合均匀，得到碳纤维淀粉粘结剂混合物。

步骤S40：阴极预制体制备。

将碳纤维淀粉粘结剂混合物移至模具中压实，脱水；压实过程中力需均匀加载，然后将模具送入真空干燥箱，抽真空后升温至200℃，保温3h后停止加热。冷却至室温，卸掉模具，得到表面光整均匀，无裂纹的阴极预制体。

步骤S50：碳化。

将阴极预制体放入真空炉中，抽真空后以15℃/min的升温速率升至1700℃，保温3h后以10℃/min的速率随炉冷却至室温；获得阴极。

本发明制备而成的阴极成型完整，表面富有石墨光泽，碳纤维在表面均匀铺开，无掉渣掉粉现象。为分析阴极的微观形貌，利用Zeiss Supre55扫描电子显微镜对纤维阴极进行观察。图1和图2为碳纤维阴极不同放大倍数下的扫描电镜图片，从图可看出长短纤维互相交叉，分散均匀，搭接良好，内部存在很多小孔隙，尖端凸起多。利用该阴极发射的电子束能量充足，电子束均匀。

实施例2

一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备工艺，包括以下步骤：

步骤S10：碳纤维的除胶分散，包括以下步骤：

步骤S11：将碳纤维与无水乙醇溶液混合，碳纤维为20cm的长纤维和50mm的短纤维混合，长碳纤维的质量为8g，短纤维的质量为32g。无水乙醇的质量为1600g，利用超声波清洗机进行超声除胶分散，超声震荡的时间为1.5h，得到除胶后分散的碳纤维。

步骤S12：取出除胶后分散的碳纤维，置于干燥炉中进行干燥，干燥过程的温度为100℃，保温时间为0.5h，去除残存的无水乙醇。

步骤S20：淀粉粘结剂制备。

将10g淀粉与90g去离子水混合，搅拌得到淀粉溶液。将淀粉溶液置于95℃的水浴加热炉中进行加热，加热时间为0.4h，加热过程中需不断机械搅拌。加热完成后冷却至室温，得到淀粉粘结剂。

步骤S30：碳纤维与淀粉粘结剂混合成型。

将除胶后分散的碳纤维与淀粉粘结剂混合，顺时针机械搅拌0.5h后，逆时针机械搅拌0.5h，得到碳纤维淀粉粘结剂混合物。

步骤S40：阴极预制体制备。

将碳纤维淀粉粘结剂混合物移至模具中压实，脱水；压实过程中力需均匀加载，然后将模具送入真空干燥箱，抽真空后升温至200℃，保温3h后停止加热。冷却至室温，卸掉模具，得到表面光整均匀，无裂纹的阴极预制体。

步骤S50：碳化。

将阴极预制体放入真空炉中，抽真空后以15℃/min的升温速率升至1500℃，保温3h后以10℃/min的速率随炉冷却至室温；获得阴极。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法，其特征在于，所述的制备方法通过在碳纤维中加入淀粉粘结剂，通过淀粉粘结剂将碳纤维材料粘结成一个整体，实现碳纤维、粘结剂间的协同效应，制成阴极预制体；将阴极预制体碳化，得到阴极；具体包括以下步骤：

步骤S10：碳纤维的除胶分散，包括以下子步骤：

步骤S11：将碳纤维与无水乙醇溶液混合，采用超声波清洗机进行超声除胶分散，得到除胶后分散的碳纤维；所述的碳纤维和无水乙醇的质量比为1:30～40；所述的碳纤维为20cm的长纤维和50mm的短纤维的混合物，长纤维和短纤维的质量比为1～3:4；

步骤S12：取出除胶后分散的碳纤维，置于干燥炉中进行干燥，去除残存的无水乙醇；

步骤S20：制备淀粉粘结剂

将淀粉与去离子水混合，搅拌得到质量分数为10％的淀粉溶液；将淀粉溶液置在95℃、搅拌条件下加热0.2～0.4h，冷却至室温，得到具有粘性、流动性良好的淀粉粘结剂；

步骤S30：碳纤维与淀粉粘结剂混合成型

将步骤S10得到的除胶分散后的碳纤维与步骤S20得到的淀粉粘结剂按质量比3～4:1混合，先顺时针机械搅拌，再逆时针机械搅拌，保证碳纤维与淀粉粘结剂混合均匀，得到碳纤维淀粉粘结剂混合物；所述的顺时针机械搅拌和逆时针机械搅拌时间相同；

步骤S40：制备阴极预制体

室温下，将步骤S30混合成型后的碳纤维淀粉粘结剂混合物移至模具中压实、脱水，压实过程中力需均匀加载；将模具送入真空干燥箱，抽真空后升温至200℃，保温2～3h后停止加热；冷却至室温，卸掉模具，得到表面光整均匀、无裂纹的阴极预制体；

步骤S50：碳化制得碳纤维阴极

室温下，将步骤S40制得的阴极预制体放入真空炉中，抽真空后升至1500～1800℃保温2～3h后；降温冷却至室温后得到碳纤维阴极，所得的碳纤维阴极为均匀的混合体，使用过程中损坏后，不需要更换阴极，将其表面层打磨后即可重复使用。

2.根据权利要求1所述的一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法，其特征在于，步骤S30所述的顺时针、逆时针机械搅拌时间为0.5～1h。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法，其特征在于，步骤S11中超声清洗的时间为0.5～1.5h。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法，其特征在于，步骤S12所述的干燥过程的温度为80～100℃，时间为0.5～1h。

5.根据权利要求3所述的一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法，其特征在于，步骤S12所述的干燥过程的温度为80～100℃，时间为0.5～1h。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法，其特征在于，步骤S50所述的升温速率15℃/min，降温速率10℃/min。

7.根据权利要求3所述的一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法，其特征在于，步骤S50所述的升温速率15℃/min，降温速率10℃/min。

8.根据权利要求4所述的一种用于电子束发射的碳纤维阴极的制备方法，其特征在于，步骤S50所述的升温速率15℃/min，降温速率10℃/min。