CN112863972B - 快热阴极热子组件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种快热阴极热子组件及其制备方法，该快热阴极热子组件包括热子组件，所述热子组件包括热子和氧化铝陶瓷；所述热子装配在氧化铝陶瓷的双螺旋结构内；所述氧化铝陶瓷采用面曝光立体光固化成型方法进行制备。本发明制备的氧化铝陶瓷成品率高、致密度高、热导率高，使得阴极热子组件结构简单，易于装配，加热均匀、耐震动性能好、抗热冲击性能好、可靠性高，且其快热性能被显著提升。
Description
技术领域
本发明涉及微波真空电子器件技术领域，尤其涉及一种快热阴极热子组件及其制备方法。
背景技术
阴极热子组件是微波真空电子器件电子枪的核心部件，由阴极、热子组件、钼支撑筒、氧化铝灌封材料和热屏组成，其功能是产生和形成一定形状的电子注，其性能直接影响器件的性能和寿命。其中，氧化铝灌封材料应用于微波真空电子器件阴极热子组件中具有热子绝缘、导热、抗高温和真空致密性等功能特性。但是在微波真空电子器件研制过程中发现氧化铝粉末灌封成型质量及其牢固度不易控制。原因是氧化铝粉末与热子钨金属由于材料物理特性差异难以牢固结合，高温烧结(High temperature molten，HTM)成型的一体式阴极热子组件中氧化铝灌封材料成型结构及质量不易控制。高温烧结HTM成型的氧化铝灌封材料未形成致密的氧化铝陶瓷结构，因此，其阴极热子组件热稳定性差，进而导致其发射性能和一致性差，不能满足真空电子器件高可靠、长寿命等应用要求。
相比于氧化铝陶瓷传统制造工艺技术，3D打印技术是一种新颖的方法，对几何尺寸和复杂形状没有加工成型限制。陶瓷3D打印成型技术作为一种先进数字化层增材制造技术，以个性化、小批量、可快速制造复杂结构等优点，为微小型零件制造提供了新途径。面曝光立体光固化成型(Digtial Light Processing，DLP)技术是3D打印中氧化铝陶瓷精密成型技术，成为国内外研究热点。DLP技术是紫外光源根据3D数字模型生成的扫描路径投影成型当前截面位图，陶瓷浆料固化成型第一层，依次固化出模型的各个截面制作出整个模型。之后通过脱脂和烧结工艺获得高致密度陶瓷。DLP成型陶瓷层之间紧密结合，层与层之间牢固度高；其最小成型厚度为5um/层，成型精度高。
随着微波真空电子器件对结构和性能提出越来越高的要求，阴极热子组件的快热启动性能、稳定性、一致性与可靠性需进一步提高，而采用DLP技术精密成型阴极热子组件用氧化铝陶瓷具有独特的优势。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种快热阴极热子组件及其制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种快热阴极热子组件，包括热子组件，所述热子组件包括热子和氧化铝陶瓷；所述热子装配在氧化铝陶瓷的双螺旋结构内；
所述氧化铝陶瓷是采用面曝光立体光固化成型方法进行制备。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种快热阴极热子组件的制备方法，包括采用面曝光立体光固化成型方法获得氧化铝陶瓷。
基于上述技术方案可知，本发明的快热阴极热子组件及其制备方法相对于现有技术至少具有以下优势之一或一部分：
1、本发明中DLP成型氧化铝陶瓷表面光滑、质量好，整体收缩均匀、尺寸精度高，符合陶瓷三维模型设计指标要求，满足阴极热子组件的应用要求；相比于HTM成型氧化铝灌封材料，DLP成型陶瓷致密度提高了1.2倍，达到3.81g/cm3；
2、DLP成型电子枪核心部件阴极热子组件用精密复杂结构氧化铝，突破了氧化铝陶瓷精密成型技术，克服了HTM灌封材料掉粉造成热子局部短路的弊端，因此，DLP阴极热子组件结构热稳定性、一致性和可靠性被显著提升；
3、DLP氧化铝陶瓷热导率比HTM氧化铝灌封材料热导率提高了5.1倍，致使DLP结构阴极热子组件及其电子枪组件在快热启动性能上具有显著优势，比HTM结构阴极热子组件和电子枪组件的快热时间分别提高43％和20％；
4、本发明制备的氧化铝陶瓷成品率高、致密度高、热导率高，使得阴极热子组件结构简单，易于装配，加热均匀、耐震动性能好、抗热冲击性能好、可靠性高。
附图说明
图1为本发明实施例中快热阴极热子组件的结构示意图；
图2是图1中热子氧化铝陶瓷的结构示意图；
图3为现有技术中阴极热子组件结构示意图。
附图标记说明：
1-阴极；2-钼支撑筒；3-氧化铝陶瓷；4-热子；5-热屏；30-氧化铝灌封材料。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本发明针对传统阴极热子组件中氧化铝粉末与热子钨金属由于材料物理特性差异难以牢固结合，高温烧结成型的一体式阴极热子组件中氧化铝灌封材料成型结构及质量不易控制，热稳定性差，热启动时间长，进而导致其发射性能、稳定性、一致性和可靠性差等的问题，提供了一种快热阴极热子组件及其制备方法。
本发明公开了一种快热阴极热子组件，包括热子组件，所述热子组件包括热子和的氧化铝陶瓷；所述热子装配在氧化铝陶瓷的双螺旋结构内；
所述氧化铝陶瓷是采用面曝光立体光固化成型方法进行制备。
在本发明的一些实施例中，所述热子直径为0.26至0.3mm，双螺旋结构外径为0.92至1.0mm。
在本发明的一些实施例中，所述氧化铝陶瓷长度为11.5至12mm，外径为6.8至6.9mm。
在本发明的一些实施例中，所述热子氧化铝陶瓷的密度为3.8至3.85g/cm3。
在本发明的一些实施例中，所述氧化铝陶瓷的原料包括类球形氧化铝粉末。
在本发明的一些实施例中，所述氧化铝粉末的粒度为450至550nm。
在本发明的一些实施例中，所述快热阴极热子组件还包括支撑筒、阴极和热屏；所述阴极设置在支撑筒顶部；所述热屏设置在支撑筒内部。
在本发明的一些实施例中，所述支撑筒采用的材料包括钼。
在本发明的一些实施例中，所述氧化铝陶瓷的外径小于支撑筒的内径。
本发明还公开了一种快热阴极热子组件的制备方法，包括采用面曝光立体光固化成型方法获得氧化铝陶瓷。
在一个示例性实施例中，本发明提供了一种快热阴极热子组件，如图1所示，包括阴极1、钼支撑筒2、采用面曝光立体光固化技术成型的氧化铝陶瓷3、热子4和热屏5。
其中所述热子直径为0.26-0.3mm，双螺旋结构外径为0.92-1.0mm；所述氧化铝陶瓷长度为11.5-12mm、优选12mm，外径为6.8-6.9mm、优选6.9mm；所述氧化铝陶瓷3的外径小于与钼支撑筒2内径，两者之间实现间隙配合。在本发明的其他实施例中，热子的直径、热子的双螺旋结构外径、氧化铝陶瓷长度、氧化铝陶瓷外径等根据需要设定，并不仅限于本实施例中的尺寸。
该氧化铝陶瓷3是采用3D打印方式中的面曝光立体光固化技术一体化成型，具有快速成型的特点，其结构热稳定和可靠性高，克服了现有的灌封材料与热子钨金属结合力差难以形成牢固结构的缺点，避免了阴极热子组件及微波真空电子器件研制生产效率低的难题。
本发明还提供了一种快热阴极热子组件制备方法，所述制备方法包括采用面曝光立体光固化DLP技术成型快热阴极热子组件用氧化铝陶瓷。
依据热子双螺旋结构反推算出所述氧化铝陶瓷三维模型结构，如图2所示。
选用粒度为450-550nm、优选500nm的类球形氧化铝粉末为原材料，纯度为99.9％，采用树脂基陶瓷浆料作为光固化材料，采用面曝光立体光固化技术成型所述复杂结构热子氧化铝陶瓷。
所述热子氧化铝陶瓷的成型方式为：控制陶瓷浆料与树脂的混合比例、面切片成型厚度、陶瓷生胚的烧结温度和时间曲线。具体地，陶瓷与树脂混合球磨后获得陶瓷浆料，陶瓷浆料中陶瓷的质量分数为65％～70％，样品DLP成型厚度为40～50μm/层；陶瓷生胚的烧结温度为1650～1700℃，保温时间为3～4h。
所述热子氧化铝陶瓷的氧化铝成份为99.9％。
所述热子氧化铝陶瓷的密度为3.8～3.85g/cm3，其致密度大于纯氧化铝粉末理论密度的97％。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
本发明提供了一种快热阴极热子组件，如图1所示。所述组件包括阴极1，钼支撑筒2，采用面曝光立体光固化技术成型的氧化铝陶瓷3，热子4和热屏5；其中所述热子直径为0.26-0.3mm，双螺旋结构外径为0.92-1.0mm，钼支撑筒内径为6.92-7.0mm，所述热子氧化铝陶瓷长度为12mm，外径为6.9mm。所述热子4的材料为钨金属丝。
对比例1
图3是现有技术中氧化铝灌封材料结构阴极热子组件结构。由图3可见，氧化铝灌封材料结构阴极热子组件包括阴极1、钼支撑筒2、采用高温烧结HTM成型的氧化铝灌封材料30、热子4和热屏5。其制备过程是氧化铝陶瓷粉末与硝棉混合搅拌均匀形成陶瓷悬浮液；将悬浮液灌封到阴极-钼支撑筒组件与热子空隙中，经过1600-1700℃高温熔融烧结成型一体式结构，然后装配热屏，通过激光焊接的方式固定形成阴极热子组件。然而，高温烧结成型的氧化铝灌封材料与热子钨金属的结合力差，导致氧化铝灌封材料易出现掉粉的现象，因此，阴极热子组件的制备成品率较低，热稳定性差，进而导致其发射性能和一致性差，不能满足真空电子器件高可靠、长寿命等应用要求。
将通过本发明实施例1制备得到的阴极热子组件用氧化铝陶瓷，其密度和热导率与现有技术中阴极热子组件用氧化铝灌封材料比较，结果如表1所示。
表1陶瓷密度和热导率测试结果
陶瓷密度和热导率测试结果如表1所示。相比于HTM成型氧化铝灌封材料，DLP成型陶瓷致密度提高了1.2倍，达到3.81g/cm3；DLP氧化铝陶瓷热导率比HTM灌封材料热导率提高了5.1倍。
实施例2
本实施例提供了一种阴极热子组件制备方法。该方法包括下列步骤：
步骤1、阴极1与钼支撑筒2通过炉中钎焊进行连接；
步骤2、氧化铝陶瓷3与热子4装配形成热子组件，置于钼支撑筒2中，紧贴阴极背面；将热屏5放入钼支撑筒2中，紧贴热子组件；
步骤3、热屏5与钼支撑筒2通过激光焊接的方法进行连接。
DLP成型氧化铝陶瓷实现了电子枪核心部件阴极热子组件用精密复杂结构陶瓷3D打印成型技术，克服了氧化铝灌封材料掉粉造成热子局部短路的弊端，因此，阴极热子组件结构稳定性、一致性和可靠性被显著提升。
对比例2
将通过本实施例2制备得到的阴极热子组件及其电子枪与现有技术中阴极热子组件和电子枪进行温度与时间比较，结果如表2所示。
表2阴极热子组件温度与时间关系
从表2可以看出，本发明所述的快热阴极热子组件具有快速热启动的特点，同等加热功率下，DLP阴极热子组件能够在4min内达到工作温度1050℃，而传统阴极热子组件在7min时才能达到工作温度1050℃。DLP结构阴极热子组件及其电子枪组件在快热启动性能上具有显著优势，比HTM结构阴极热子组件和电子枪组件的快热时间分别提高43％和20％。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种快热阴极热子组件，包括热子和氧化铝陶瓷；所述热子装配在氧化铝陶瓷的双螺旋结构内；
所述氧化铝陶瓷采用面曝光立体光固化成型方法进行制备。
2.根据权利要求1所述的快热阴极热子组件，其特征在于，
所述热子直径为0.26至0.3mm，双螺旋结构外径为0.92至1.0mm。
3.根据权利要求1所述的快热阴极热子组件，其特征在于，
所述氧化铝陶瓷长度为11.5至12mm，外径为6.8至6.9mm。
4.根据权利要求1所述的快热阴极热子组件，其特征在于，
所述热子氧化铝陶瓷的密度为3.8至3.85g/cm3。
5.根据权利要求1所述的快热阴极热子组件，其特征在于，
所述氧化铝陶瓷的原料包括类球形氧化铝粉末。
6.根据权利要求5所述的快热阴极热子组件，其特征在于，
所述氧化铝粉末的粒度为450至550nm。
7.根据权利要求1所述的快热阴极热子组件，其特征在于，
所述快热阴极热子组件还包括支撑筒、阴极和热屏；
所述阴极设置在支撑筒顶部；
所述热屏设置在支撑筒内部。
8.根据权利要求7所述的快热阴极热子组件，其特征在于，
所述支撑筒采用的材料包括钼。
9.根据权利要求7所述的快热阴极热子组件，其特征在于，
所述氧化铝陶瓷的外径小于支撑筒的内径。
10.一种快热阴极热子组件的制备方法，其中，所述热子组件包括氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷是采用面曝光立体光固化成型方法制备的。
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