CN109926591B - 一种钡钨阴极的简易制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种钡钨阴极的简易制备方法，属于难熔金属阴极材料技术领域。钨粉装入模具中，进行钢模双向压制，得到钨的阴极生胚；将盛有阴极生坯的氧化铝坩埚放入辅助保温加热的装置中，然后一起放入微波谐振腔内；以30℃/min的速率升温至1000℃，保温10min，进行预烧；再以40℃/min的速率升温至1400℃‑1500℃，保温10min，自然冷却至室温，取出；将制备得到的阴极表面均匀涂敷一层411活性盐，经过1650℃高温进行浸渍；然后水冷降温至室温，取出；水洗、干燥、退火得到钡钨阴极。得到孔度结构良好的亚微米级钡钨阴极，阴极表面出现纳米级活性物质，发射性能得到提高。
Description
技术领域
属于难熔金属阴极材料技术领域，更具体的说涉及一种微波烧结法制备钡钨阴极的方法。
背景技术
真空电子器件在现代军事、民用领域都有广泛的作用，诸如在高能大型加速器、医用电子直线加速器、高频卫星通讯、可控热核聚变、全球定位及未来军事前沿的高功率微波武器等众多尖端科技领域中，真空电子器件都有着举足轻重的作用。近年来，在固态器件以及半导体器件的应用逐渐到达极限且长期无法获得突破的状态下，真空电子器件机理原生的优势再次显现出来，尤其是在像探测隐身飞机的超高频雷达、区域高保密通信、高速太空通讯以及癌症射线诊疗等一些最前沿的科技应用中，大量的理论研究都已经证明真空电子器件能够很好的发挥其高频、大功率、高效、稳定的优点，从而使设备获得更好的服役性能，进而在军事、科技领域获得更大的主动权。
在真空电子器件中，阴极作为器件中的电子源是器件工作最重要的材料基础，其电子发射能力直接决定着器件的最佳性能，因此高性能新型阴极对于推动真空电子器件相关技术的发展也具有十分重要的意义。目前，在高频、大功率的电真空器件中所使用的阴极主要是钡钨系列的阴极，钡钨阴极的工作温度虽比氧化物阴极高,但高电流工作下的稳定性和长寿命却是氧化物阴极无法比拟的,钡钨阴极已在多种真空电子器件中应用,特别是在高电压、长脉冲使用条件下的大功率、高频段微波管。在钡钨阴极制备中，由于亚微米级纯W粉具备很高的活性，传统烧结的高温过程对其伤害巨大，烧结过程容易发生致密化从而导致浸渍困难，进而影响阴极发射性能，所以至今仍采用覆膜或制备钨铜前驱棒材随后化学法或物理法去铜。但是这两种方法制备过程工艺繁杂，难度大等缺陷，前者生产工艺稳定性不佳，覆膜容易脱落影响发射性能；后者由于引入Cu元素，各种方法始终难以将Cu去除干净，进而对阴极发射性能产生影响。
目前，微波烧结技术具有低温快速制备材料的特点成为研究热点。微波烧结是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。与常规烧结相比,微波烧结具有提升烧结效率、高效节能以及改善材料组织、提高材料力学性能等一系列优点。并且随着人们对纳米材料研究的重视以及资源短缺问题，该技术在制备纳米块体金属材料和纳米陶瓷方面具有很大的潜力并且极大降低能耗。在烧结过程中，物料粉体在微波场作用下整体加热，因此烧结过程中样品没有温度差。同时由于微波直接作用于物料，能量转换率高，所需活化能较低，可实现低温快速烧结。并且由于快速升降温的特点，可以抑制晶粒组织长大，获得超细晶粒结构材料，显著改善材料的显微组织。并且微波烧结收缩比相对普通烧结显著降低，试样的垂直收缩率和水平收缩率只有传统烧结试样的三分之一左右。
发明内容
本发明提供了一种微波烧结制备钡钨阴极的简易方法，主要目的是抑制阴极在烧结过程中晶粒的异常长大，得到多孔钨基海绵体，提高钡钨阴极浸渍量，得到孔度结构良好的亚微米级钡钨阴极，通过简单的方法获得性能优异的钡钨阴极，大大减少生产成本并提高工艺的可重复性。
为达到上述目的，本发明的解决方案如下。
步骤1电子天平称取颗粒大小分布均匀钨粉，实验用钨粉粒径大小范围为1-2μm。
步骤2将步骤1得到的钨粉装入模具中，进行钢模双向压制，调整压力为1.6t/cm2，保压时间25s，得到钨的阴极生胚；
步骤3将步骤2压制得到的阴极生坯置于氧化铝坩埚中，然后将盛有阴极生坯的氧化铝坩埚放入辅助保温加热的装置中，然后一起放入微波谐振腔内；
步骤4开启微波源，调整微波源输出功率，以30℃/min的速率升温至1000℃，保温10min，进行预烧；再以40℃/min的速率升温至1400℃-1500℃，保温10min，自然冷却至室温，取出；
步骤5将步骤4制备得到的阴极表面均匀涂敷一层411活性盐(BaO:CaO:Al2O3的摩尔比为4:1:1)，411活性盐涂敷质量为阴极质量的20％-50％，经过1650℃高温保温1-3min进行浸渍；然后水冷降温至室温，取出；
步骤6将步骤5得到的阴极水洗、干燥、1200℃退火后得到钡钨阴极。
将上述步骤制备得到的阴极放置于动态真空平板二极管结构中测试脉冲电流发射密度。此阴极在1050℃b(亮度温度)时支取的发射电流密度可以达到13.72A/cm2，阴极具备较好的发射性能。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明。
图1实施例1实验用纯钨粉SEM照片；
图2微波烧结钡钨阴极1400℃SEM照片；
图3微波烧结钡钨阴极1450℃SEM照片；
图4微波烧结钡钨阴极1500℃SEM照片
图5微波烧结1450℃钡钨阴极孔径分布；
图6实施例1浸渍后钡钨阴极SEM低倍照片；
图7实施例1浸渍后钡钨阴极SEM高倍照片；
图8实施例1微波烧结钡钨阴极脉冲电子发射结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
电子天平上，称取0.14g纯钨粉，此钨粉微观形貌如图1所示。将此钨粉装入3mm模具中，进行钢模双向压制。调整压力为1.6t/cm2，保压时间25s，得到直径3mm，高2mm的圆柱形钡钨阴极生胚。将压制得到的阴极钨生坯置于Al2O3坩埚中，然后将盛有阴极的氧化铝坩埚放入辅助保温加热的装置中，然后一起放入微波谐振腔内。辅助保温加热装置设置为多层，外层为厚度10-20cm耐1400℃型氧化铝纤维棉，中间层为厚度5-10cm耐1600℃型氧化铝纤维棉，内层为300-500g氧化锆球。开启微波源，调整微波源输出功率，以30℃/min的速率升温至1000℃，保温10min，进行预烧。再以40℃/min的速率升温至1400℃，保温10min，自然冷却至室温，取出。此阴极基体微观形貌如图2所示。将制备得到的阴极表面均匀涂敷一层411活性盐(BaO:CaO:Al2O3的摩尔比为4:1:1，涂敷质量为阴极质量的20％-50％)，经过1650℃高温保温1-3min进行浸渍。水冷降温至室温，取出。将得到的阴极进行水洗、干燥、1200℃退火后得到钡钨阴极。
实施例2
电子天平上，称取0.14g纯钨粉，此钨粉微观形貌如图1所示。将此钨粉装入3mm模具中，进行钢模双向压制。调整压力为1.6t/cm2，保压时间25s，得到直径3mm，高2mm的圆柱形钡钨阴极生胚。将压制得到的阴极钡钨生坯置于Al2O3坩埚中，然后将盛有阴极的氧化铝坩埚放入辅助保温加热的装置中，然后一起放入微波谐振腔内。辅助保温加热装置设置为多层，外层为厚度10-20cm耐1400℃型氧化铝纤维棉，中间层为厚度5-10cm耐1600℃型氧化铝纤维棉，内层为300-500g氧化锆球。开启微波源，调整微波源输出功率，以30℃/min的速率升温至1000℃，保温10min，进行预烧。再以40℃/min的速率升温至1450℃，保温10min，自然冷却至室温，取出。此阴极基体微观形貌如图3所示，孔径结构分布如图5所示。将制备得到的阴极表面均匀涂敷一层411活性盐(BaO:CaO:Al2O3的摩尔比为4:1:1，涂敷质量为阴极质量的20％-50％)，经过1650℃高温保温1-3min进行浸渍。水冷降温至室温，取出。将阴极进行水洗、干燥、1200℃退火后得到钡钨阴极。制备得到的钡钨阴极表面1K倍微观形貌如图6所示，制备得到的钡钨阴极表面10K倍微观形貌如图7所示，可以发现，浸渍后的阴极孔度结构依然良好，且表面出现纳米级活性物质。
实施例3
电子天平上，称取0.14g纯钨粉，此钨粉微观形貌如图1所示。将此钨粉装入3mm模具中，进行钢模双向压制。调整压力为1.6t/cm2，保压时间25s，得到直径3mm，高2mm的圆柱形钡钨阴极生胚。将压制得到的阴极钡钨生坯置于Al2O3坩埚中，然后将盛有阴极的氧化铝坩埚放入辅助保温加热的装置中，然后一起放入微波谐振腔内。辅助保温加热装置设置为多层，外层为厚度10-20cm耐1400℃型氧化铝纤维棉，中间层为厚度5-10cm耐1600℃型氧化铝纤维棉，内层为300-500g氧化锆球。开启微波源，调整微波源输出功率，以30℃/min的速率升温至1000℃，保温10min，进行预烧。再以40℃/min的速率升温至1500℃，保温10min，自然冷却至室温，取出。此阴极基体微观形貌如图4所示。将制备得到的阴极表面均匀涂敷一层411活性盐(BaO:CaO:Al2O3的摩尔比为4:1:1，涂敷质量为阴极质量的20％-50％)，经过1650℃高温保温1-3min进行浸渍。水冷降温至室温，取出。将阴极进行水洗、干燥、1200℃退火后得到钡钨阴极。
本发明主要目的是获得均匀细晶结构的多孔钨基海绵体，通过浸渍、洗盐、退火等工艺，获得大电流密度钡钨阴极，解决传统钡钨阴极制备过程工艺繁杂，难度大等缺陷，提高其生产工艺稳定性。实验结果表明,与常规方法制备阴极相比，微波烧结制备工艺大大简化了制备流程，克服了亚微米尺度钨粉在高温烧结时不同颗粒异常长大导致的孔结构不均匀问题，制备出的海绵体微观结构明显改善，W颗粒没有明显长大，烧结颈明显，孔结构均匀细小。经过浸渍、洗盐、退火工艺后，得到孔度结构良好的亚微米级钡钨阴极，阴极表面出现纳米级活性物质。阴极发射性能测试结果显示，阴极发射性能得到一定提高，在1050℃b时支取的脉冲发射电流密度可以达到13.72A/cm2，具有较好的发射性能。
Claims (2)
1.一种钡钨阴极的简易制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1电子天平称取颗粒大小分布均匀钨粉，钨粉粒径大小范围1-2μm；
步骤2将步骤1得到的钨粉装入模具中，进行钢模双向压制，调整压力为1.6t/cm2，保压时间25s，得到钨的阴极生胚；
步骤3将步骤2压制得到的阴极生坯置于氧化铝坩埚中，然后将盛有阴极生坯的氧化铝坩埚放入辅助保温加热的装置中，然后一起放入微波谐振腔内；
步骤4开启微波源，调整微波源输出功率，以30℃/min的速率升温至1000℃，保温10min，进行预烧；再以40℃/min的速率升温至1400℃-1500℃，保温10min，自然冷却至室温，取出；
步骤5将步骤4制备得到的阴极表面均匀涂敷一层411活性盐(BaO:CaO:Al2O3的摩尔比为4:1:1)，经过1650℃高温进行浸渍1-3min；然后水冷降温至室温，取出；
步骤6将步骤5得到的阴极水洗、干燥、1200℃退火后得到钡钨阴极。
2.按照权利要求1所述的一种钡钨阴极的简易制备方法，其特征在于，411活性盐涂敷量为阴极质量的20％-50％，411活性盐浸渍量为阴极质量的8％以上。
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