DE3205075A1 - Gitterfoermige elektrode fuer elektronengeraete und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Gitterfoermige elektrode fuer elektronengeraete und verfahren zu ihrer herstellung

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DE3205075A1
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/14—Manufacture of electrodes or electrode systems of non-emitting electrodes

Description

1. Jury Semenovich SERGEEV, Leningrad
2. Stanislav Mikhailovich SHATALOV, Leningrad
3. Vladimir Georgievich VILDGRUBE, Leningrad
4. losif Lvovich GANDELSMAN, Leningrad
5. Valeria Konstantinovna KUZNETSOVA, Leningrad
6. losif Simonovich LIBMAN, Leningrad
7. Egor Nikolaevich LJUKSHIN, Moskau
8. Vyacheslav Ivanovich FROLOV, Moskau
9. Valery Ivanovich KOSTIKOV, Moskau
UdSSR
Gitterförmige Elektrode für Elektronengeräte und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf Bauelemente von Elektrovakuumgeräten, insbesondere auf eine gitterförmige Elektrode für Hochleistungssenderöhren.
Die Erfindung kann auf eine gitterförmige Elektrode eines beliebigen Elektrovaküumgerates, beispielsweise als Gitter, Kathode, Heizelement, angewandt werden; im Falle der Herstellung der Kathode nach der Erfindung überzieht man die gitterförmige Elektrode mit einer aktiven Emissionsschicht.
Die Erfindung kann im Chemieanlagenbau und in anderen Teilgebieten der Technik angewandt werden, in denen Apparate zur Anwendung gelangen, die Hochtemperatur-, korrosionsbeständige und andere Elektroden enthalten.
30-(P. 89 176-E-6 D-TMs
.:..... .. «.. —- 32Ü5075
Die gegenwärtige Entwicklung der Technik der Hochleistungssenderöhren vollzieht sich auf dem Wege der Steigerung der Ausgangsleistung der Röhren und der Erhöhung der spezifischen Belastung an den wichtigen Arbeitselementen der Röhren, in erster Linie an den Gittern.
Bei den weitgehend bekannten Bauarten- der gitterförmigen Elektroden, in denen hochschmelzende Werkstoffe, wie Wolfram, Molybdän und andere, im Verein mit verschiedenen Überzügen zur Anwendung gelangen, sind die Möglichkeiten der Steigerung der spezifischen Belastungen praktisch erschöpft.
Die Steigerung der Leistung der Senderöhren hat eine Erhöhung der Betriebstemperaturen der Gitter zur Folge, was zu einer Senkung der emissionshemmenden Eigenschaften, zur Rekristallisation des Metalls, zur Störung der Formbeständigkeit und als Endergebnis zu hohen Pegeln der Wärmeströme, zur Senkung der elektrischen und mechanischen
Festigkeit der Elektronenröhre und zu einem Ausfall derselben führt.
Eine weitere Steigerung der Leistung, die Erweiterung des Frequenzbereiches sowie die Erhöhung der Energiekennwerte und der Lebensdauer der Geräte .können nur bei der Herstellung von gitterförmigen Elektroden aus neuen Konstruktionswerkstoffen herbeigeführt werden, die zu einer großen Leistungsstreuung fähig sind und eine hohe Wärmebeständigkeit und Betriebsstabilität aufweisen.
Bekannt sind gitterförmige Elektroden aus Pyrolysegraphit, die hohlzylinderförmig mit Schlitzen in Form eines Gitters ausgeführt sind (US-PS 3 307 063).
-B-
Den Pyrographit erhält man durch dessen Abscheidung aus der thermisch zersetzbaren Gasphase.
Durch die Festlegung der Parameter des Prozesses, des Druckes und der Temperatur kann man eine hohe bevorzugte kristalline Orientierung in dem abgeschiedenen Kohlenstoff herbeiführen. Die Eigenschaften der auf diese Weise erhaltenen Schicht kommen den Eigenschaften des Graphiteinkristalls nahe.
Das Verfahren zur Herstellung der bekannten gitterförmigen Elektrode sieht die Bildung eines Hohlzylinders auf dem genannten Wege, das Abtragen der Oberflächenschicht des Werkstoffes zur Erzielung der geforderten Wanddicke, beispielsweise durch Schleifen, Fräsen oder Ultraschallbehandlung, und die'Erzeugung von Maschen und Stegen durch Schleif-, Elektronenstrahl-, elektroerosives oder Laserstrahlschneiden vor.
Eine solche gitterförmige Elektrode und ein solches Verfahren gewährleisten aber keine ausreichende elektrische Festigkeit und sind sehr kosten- bzw. arbeitsaufwendig.
Die Notwendigkeit der Herstellung einer gitterförmigen Elektrode, die geringe Abmessungen der Stege und Maschen mit bedeutender Länge der Elektrode vereint, schafft außerdem Schwierigkeiten bei der Gewährleistung der mechanischen Festigkeit und der Steifigkeit der Konstruktion.
Bei der Herstellung der Gitterform durch Schneiden kann die Schnittfläche infolge ihrer geschichteten Struktur abblättern und absplittern, was eine Senkung der mechanischen und elektrischen Festigkeit der Geräte zur Folge hat. Außerdem ist es unmöglich, aus dem Pyrographit eine
Elektrode komplizierter Form mit geringen Kürmmungshalbmessern herzustellen, was zu einer Vergrößerung der Abmessungen des Gitters und des Gerätes im ganzen führt.
Bekannt ist auch eine gitterförmige Elektrode aus festem Graphit für Senderöhren, in der mindestens ein Teil der Elektrode, der unmittelbar das Gitter bildet, aus glasartigem Kohlenstoff (Glaskohlenstoff) hergestellt
ist. Die Elektrode stellt man durch Ausschneiden einer gitterförmigen Konfiguration mit einem Laserstrahl aus dem .aus Glaskohlenstoff bestehenden Halbzeug her (DE-OS 26 23 828).
Der Nachteil eines solchen Aufbaus der Elektrode und eines solchen Verfahrens zu ihrer Herstellung ist eine niedrige mechanische Festigkeit des FertigerzeugnJsses. Die Einhaltung genauer Abmessungen der Gitter ist infolge! der Schwindung des Werkstoffes während des technologischen Prozesses erschwert. Ein großer Nachteil der bekannten Elektrode ist auch die hohe Härte des glasartigen Kohlenstoffs, die der Härte von Korund oder Diamant nahekommt und seine Bearbeitung nach bekannten Verfahren außerordentlich erschwert.
Bekannt sind außerdem gitterförmige Elektroden, die aus mit Pyrographit überzogenen Kohlenstoffaserfäden gefertigt sind, die an den Kreuzungsstellen miteinander und mit den Tragelementen durch Lot zusammengelötet sind (DE-OS 2 3 58 583) .
Das Verfahren zur Herstellung dieser Elektrode besteht darin, daß man Stücke der Kohlenstoffaserfäden mit Pyrographit überzieht, die dadurch erhaltenen steifen Stränge an Tragelementen befestigt und sie miteinander an den
- ίο -
Kreuzungsstellen durch Zusammenlöten mit Lot verbindet, wodurch man eine Gitterstruktur bildet.
Die oben beschriebenen gitterförmigen Elektroden gewährleisten eine hinreichend hohe Leistungsstreuung, zulässige Betriebstemperatur, elektrische Festigkeit und Stabilität der Parameter nicht.
Die genannten Nachteile sind eine Folge der Notwendigkeit, Lot zu verwenden, was die zulässige Betriebstemperatur des Gitters einschränkt,' sowie der Schwierigkeit, die geforderte Maßgenauigkeit zu gewährleisten. Außerdem ist das bekannte Verfahren arbeitsintensiv, was durch die Kompliziertheit der Bildung einer Gitterkonstruktion aus Strängen bedingt ist, die eine große Steifigkeit aufweisen. Außerdem erfordert das bekannte Verfahren die Anwendung hoher Temperaturen, einen großen Energieaufwand und komplizierte Ausrüstungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gitterförmige Elektrode und ein Verfahren zur Herstellung einer gitterförmigen Elektrode zu entwickeln, deren Werkstoff und Aufbau es gestatten, die Leistungsstreuung und die zulässige Betriebstemperatur der Elektrode zu erhöhen.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine gitterförmige Elektrode für Elektronengeräte, in der der eigentliche Gitterteil durch Kohlenstoff aserfäden gebildet 1st, mit dem Kennzeichen, daß die Fasern der Kohlenstoffäden miteinander durch Koks aus einem organischen Polymeren verbunden sind.
Eine solche Ausführung der gitterförmigen Elektrode verleiht dieser eine hohe Formbeständigkeit, mechanische Festigkeit bei erhöhter zulässiger Betriebstemperatur und ein hohes Emissionsvermögen.
Es ist zweckmäßig, daß die Menge des verbindenden Kokses aus dem organischen Polymeren in den Fäden 10 bis 50 Gewichtsprozent beträgt.
Dadurch wird es möglich, eine gitterförmige Elektrode mit.verschiedener Konfiguration der Maschen unter Erhalten der geometrischen Parameter der Maschen über die ganze Fläche der Elektrode während deren Betriebs herzustellen.
Es ist in einigen Fällen wünschenswert, daß der Koks aus dem organischen Polymeren 5 bis 30 Gewichtsprozent eines elektrisch leitenden, hochschmelzenden Werkstoffes enthält. .
• Es ist weiter zweckmäßig, daß die den Gitterteil bildenden Fäden mindestens an einem Tragelement an seinem Umfang mit Hilfe der Kohlenstoffäden befestigt sind, deren Fasern miteinander durch Koks aus einem organischen Polymeren verbunden sind.
Das gewährleistet einen innigen mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen der gitterförmigen Elektrode und dem Tragelement.
Es ist zulässig, daß die den Gitterteil bildenden Fäden mindestens an einem Tragelement befestigt sind, das aus einem Gewebe besteht, dessen Kohlenstoffäden und die diese' bildenden Fasern miteinander durch Koks aus einem organischen Polymeren verbunden sind.
Das gestattet es, für die Tragelemente Werkstoffe mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verwenden,
und gewährleistet einen niedrigen Wert des Wärmewiderstandes an der Kontaktstelle des Tragelementes mit der gitterförmigen Elektrode. "-""""■
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Es ist zweckmäßig, daß die Fäden mindestens des Gitterteils der Elektrode von allen Seiten mit einer Schicht von Koks aus einem organischen Polymeren überzogen sind, der diese miteinander verbindet.
Dadurch ist es möglich, die mechanische Festigkeit und die geometrische Steifigkeit der Konstruktion während des Betriebs zu erhöhen.
Es ist wünschenswert, daß die Fäden mit einer Schicht von Koks aus einem organischen Polymeren überzogen sind, die einen hochschmelzenden, elektrisch leitenden Werkstoff enthält.
Dadurch ist es möglich, den Pegel des Wärmestromes von der gitterförmigen Elektrode her bei Anwendung derselben in Hochspannungseinrichtungen zu senken.
Es ist zweckmäßig, daß die Poren und Risse der Fäden, deren Fasern miteinander durch Koks aus dem organischen Polymeren verbunden sind, mit Pyrokohlenstoff bis zu einer mittleren Dichte des Fadenwerkstoffes von 1,7 bis 2,0 g/cm gefüllt sind.
Dadurch wird es möglich, die mechanische Festigkeit, Wärme- und elektrische Leitfähigkeit der gitterförmigen Elektrode zu erhöhen sowie die Gasentwicklung aus dieser zu vermindern.
Man verwendet zweckmäßigerweise als Koks aus dem organischen Polymeren einen glasartigen Kohlenstoff.
Dadurch wird es möglich, einen guten mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen den die gitterförmige Elektrode bildenden Fäden herbeizuführen und die mecha-
nische Festigkeit der Elektrode bei erhöhten Betriebstemperaturen zu erhöhen.
In einigen Fällen ist es erwünscht, daß die Fäden der gitterförmigen Elektrode von allen Seiten mit einer Schicht von Pyrographit überzogen sind.
Dadurch wird es möglich, die mechanische Festigkeit sowie die elektrische und die Wärmeleitfähigkeit weiter zu erhöhen. '
Verfahren
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein / zur Herstellung einer gitterförmigen Elektrode mit einem Gitterteil aus Kohlenstoffaserfäden, mit dem Kennzeichen, daß man jeden Kohlenstoffaserfaden durch ein flüssiges organisches Polymeres mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 20 Gewichtsprozent, das nach der vorhergehenden irreversiblen Härtung zur Verkohlung fähig ist, in der Weise leitet,
durch
daß dieser mit dem Polymeren / tränkt wird, dann aus diesen Fäden auf einem Dorn eine gitterförmige Elektrode bildet und diese einer Erhitzung bis zur irreversiblen Härtung des die Fäden durchtränkenden Polymeren und danach einer Erhitzung bis zur Pyrolyse des Polymeren unterwirft.
Dadurch wird es möglich, den technologischen Prozeß der Herstellung einer gitterförmigen Elektrode zu vereinfachen, den Energie- und Arbeitsaufwand bei ihrer Herstellung zu senken, die Dauer des technologischen Prozesses ihrer Herstellung zu verkürzen und eine Elektrode mit verbesserten notwendigen Kennwerten, wie hohe Leistungsstreuung, erhöhte Formbeständigkeit und mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen, zu erhalten.
Man verflechtet bei der Bildung der gitterförmigen Elektrode die sich kreuzenden Fäden des Gitterteils miteinander zw.eckmäßig nach Strickmethoden.
Dadurch wird es möglich, den Prozeß der Bildung der gitterförmigen Elektrode zu automatisieren.
Man verwendet zweckmäßig als organisches Polymeres zum Durchtränken der Fäden ein Polymeres, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Phenol-, Furan-, Furfuryl-, Akrylharzen, Harzen der Vinylreihe, Erdöl-, Steirikohlenteeren und Pechen besteht.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, als flüssiges organisches Polymeres für die Durchtränkung .der Fäden eine Lösung von Phenol-Formaldehyd-Harz in Äthylalkohol zu verwenden.
Dadurch wird verhindert, daß im Prozeß der Bildung des Gitters auf dem Dorn eine Veränderung der geometrischen Abmessungen desselben eintritt, und es werden die notwendigen Eigenschaften der Elektrode gewährleistet.
Es ist erwünscht, bei der Verwendung eines thermoplastischen Polymeren als organischen Polymeren zur Durchtränkung der Fäden nach der Bildung der gitterförmigen Elektrode das Polymere in den härtbaren Zustand überzuführen.
Dadurch wird verhindert, daß im Prozeß der Pyrolyse eine Veränderung der geometrischen Abmessungen und der Form der gitterförmigen Elektrode eintritt.
Es ist erwünscht, nach der Durchtränkung der Fäden mit dem flüssigen organischen Polymeren diese durch eine Kalibrieröffnung durchzuleiten, um den Fäden ein notwendiges Profil zu verleihen.
Das bewirkt, daß der Querschnitt der Stege über die ganze Fläche der gitterförmigen Elektrode gleichmäßig ist.
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Man trennt zweckmäßig nach der irreversiblen Härtung des flüssigen organischen Polymeren die gitterförmige Elektrode von dem Dorn ab.
. Dadurch wird es möglich, die Genauigkeit der Abmessungen und der Form der Elektrode zu gewährleisten.
In einigen Fällen ist es sinnvoll, vor der Bildung der gitterförmigen Elektrode auf dem Dorn mindestens ein Tragelementanzubringen und nach der Bildung des Gitterteils der Elektrode diesen an dem Tragelement durch Aufwickeln eines mit dem flüssigen organischen Polymeren durchtränkten Kohlenstoffaserfadens auf den Gitterteil zu befestigen.
Das bewirkt einen guten mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen der gitterförmigen Elektrode und dem Tragelement.
Es ist in einigen Fällen wünschenswert, jeden Kohlenstoff aserfaden durch ein flüssiges organisches Polymeres hindurchzuführen, das einen feindispersen, hochschmelzenden, elektrisch leitenden Werkstoff enthält.
Dadurch wird es möglich, die Ausbeute an Koksrückstand im Prozeß der Pyrolyse des organischen Polymeren zu erhöhen und die mechanische Festigkeit des Kokses zu steigern.
Es ist in einigen Fällen möglich, nach der irreversiblen Härtung des organischen Polymeren,die Fäden mindestens des Gitterteils der Elektrode von allen Seiten mit einer Schicht eines flüssigen organischen Polymeren mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 20 Gewichtsprozent, das nach der vorhergehenden irreversiblen Härtung zur Verkohlung fähig ist, zu überziehen und die Elektrode einer
Erhitzung bis zur irreversiblen Härtung des Polymeren in der genannten Schicht zu unterwerfen.
Dadurch wird es möglich, die mechanische Festigkeit der gitterförmigen Elektrode zu erhöhen.
Es ist zweckmäßig, bei der Aufbringung der Schicht des Polymeren diesem einen feindispersen, hochschmelzenden, elektrisch leitenden Werkstoff zuzugeben.
Das gestattet es, die elektrische Leitfähigkeit der gitterförmigen Elektrode zu erhöhen und die gitterförmige Elektrode mit einem niedrigen Pegel des Wärmestromes zu erhalten.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles näher erläutert; darin zeigen:
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße gitterförmige Elektrode;
Fig. 2 schematisch die Einzelheit A in Fig. 1 der
Verbindung des Gitterteils mit dem Tragelement
im Schnitt;
und
Fig. 3 schematisch die Einzelheit B in Fig. 1 der
Kreuzung der Fäden des Gitterteils im Schnitt.
Die erfindungsgemäße gitterförmige Elektrode enthält den eigentlichen Gitterteil 1 (Fig. 1) und ein oder mehrere Tragelemente 2, 3, an denen der Gitterteil 1 befestigt ist. Die Tragelemente 2, 3 dienen zum Abstützen des Gitterteils 1, zur Erzielung einer Steifigkeit und mecha-
nischer Festigkeit der Konstruktion sowie zum Herbeiführen eines mechanischen, Wärme- und elektrischen Kontaktes der gitterförmigen Elektrode in dem Elektrovakuumgerät mit Hilfe von öffnungen 4 und Schlitzen 5. Der- Gitterteil 1 der Elektrode besteht aus sich gegenseitig kreuzenden Kohlenstoffaserfäden 6 und 7, deren
Fasern miteinander durch Koks verbunden sind, der sich durch die Pyrolyse eines organischen Polymeren bildet, mit dem jeder Kohlenstoffaden vorher durchtränkt worden ist.
Der Koks stellt einen festen Rückstand dar, der sich bei der Pyrolyse verschiedener organischer Polymeren in neutraler oder reduzierender Atmosphäre oder in Vakuum bildet. .'.·"■"
Der Gehalt des Kohlenstoffes im Koks beträgt mehr als 96 % und hängt von der Endtemperatur der Pyrolyse sowie von dem Typ des organischen Ausgangspolymeren ab.
Die Strukturformen des Kohlenstoffes im Koks, die ebenfalls von den Ausgangsstoffen und den Pyrolysebedingungen abhängen, können verschiedener Typen sein.
Eine der möglichen Formen ist beispielsweise die glasartige Form des Kohlenstoffes.
Als Ausgangspolymeren verwendet man organische Polymeren mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 20 Gewichtsprozent, die nach der vorhergehenden irreversiblen Härtung zur Verkohlung fähig sind.
Bei der Verwendung organischer Polymeren mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 20 Gewichtsprozent bildet sich als Ergebnis ihrer Pyrolyse ein Koksrückstand mit
einem niedrigen Prozentgehalt an Kohlenstoff, mit ungenügender mechanischer Festigkeit und hoher Porosität.
Besonders geeignete Werkstoffe für die Herstellung einer gitterförmigen Elektrode sind organische Polymeren aus der Gruppe der Phenol-, Furan-, Furfuryl-, Akryl-, Vinyl-, Polyamidharze, der Erdöl- und Steinkohlenteere und Peche und ihrer Derivate.
Für die Herstellung einer gitterförmigen Elektrode ist es notwendig, das organische Polymere vor der Pyrolyse einer irreversiblen Härtung zu unterwerfen. Die irreversible Härtung stellt einen chemischen Prozeß der Polykondensation dar, der zur Bildung eines dreidimensionalen Netzes von Querverbindungen im Polymeren führt. Dabei verliert das Polymere die Fähigkeit zur Auflösung und zum Schmelzen. Dazu unterwirft man härtbare Riymeren einer Erhitzung auf eine Temperatur von 100 bis 200 C, während thermoplastische Polymeren vorher einer Oxidation im Medium von Ozon, Luft, Halogenen oder deren Derivaten oder einer anderen Behandlung zur Überführung derselben in den härtbaren Zustand unterworfen werden.1
Als Ergebnis der weiteren Wärmebehandlung der gitterförmigen, aus den mit dem organischen Polymeren durchtränkten Kohlenstoffäden hergestellten Elektrode kommt es zur Pyrolyse des Polymeren unter Bildung von Koks, der die Fasern der Kohlenstoffäden miteinander verbindet. Die Pyrolyse stellt einen Prozeß der thermischen Zersetzung des organischen Polymeren dar, der von der Entwicklung flüchtiger Stoffe und der Bildung eines festen Kohlenstoffrückstandes in Form von Koks begleitet wird, der eine hohe mechanische Festigkeit aufweist. Dabei bildet sich ein Verbundwerkstoff, in dem die Kohlenstoffasern ein Bewehrungselement sind und der Koksrückstand eine Matrix ist. Der Verbundwerkstoff vereinigt in sich den Komplex
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der physikalisch-chemischen Eigenschaften, die den
diesen zusammensetzenden Komponenten eigen sind, und
besitzt auch eine Reihe von Eigenschaften, die die
Eigenschaften der einzelnen Komponenten wesentlich
übersteigen. Diese Eigenschaften kommen durch die
physikalisch-chemische Verträglichkeit der den Verbundwerkstoff zusammensetzenden Komponenten, darunter durch einen durch die Haftkräfte bewirkten guten Zusammenhalt der Komponenten, zustande.
Die Menge des verbindenden Kokses beträgt 10 bis r)O Gewichtsprozent, bezogen auf die Summe der Komponenten. Ein Koksgehalt des Fadens von weniger als 10 Gewichtsprozent gewährleistet nicht die erforderliche Steifigkeit und Formbeständigkeit, während bei einem Koksgehalt des Fadens von mehr als 50 Gewichtsprozent die mechanische Festigkeit der Elektrode sinkt.
Zur Steigerung der mechanischen Festigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit kann der Koks 5 bis 30 Gewichtsprozent eines hochschmelzenden, elektrisch leitenden
Werkstoffes in feindisperser Form enthalten.
Als feindispersen, hochschmelzenden Werkstoff verwendet man vorzugsweise Ruß sowie ein Pulver von Karbiden hochschmelzender Metalle (WC, MoC, ZrC, TaC und andere), feingemahlenen Graphit und auch einige hochschmelzende Metalle (Re, W, Mo, Zr und andere).
Die Wahl der Teilchengröße gestattet es, die Oberfläche der Elektrode mit einer vorgegebenen Größe der ' Rauhigkeit und entsprechend mit erhöhtem Emissionsvermögen zu erzeugen.
Optimale Oberflächenbeschaffenheit besitzen Elektroden mit einer Teilchengröße des hochschmelzenden., elektrisch leitenden Werkstoffes in dem Koks von 1 bis 10 ,um.
Die Zugabe der Teilchen gestattet es, die elektrische Leitfähigkeit um 15 bis 20 % zu erhöhen und die mechanische Festigkeit zu steigern, weil die Teilchen die Funktionen des Füllstoffes erfüllen, die Bildung von Rissen verhindern und die inneren Spannungen senken, die in dem betrachteten System im Prozeß der Pyrolyse und während don Betriebes des Fertigerzeugnisses entstehen.
Zur Herbeiführung einer zuverlässigen Verbindung des 'Gitterteils 1 der Elektrode mit den Tragelementen 2, 3 stellt man zweckmäßigerweise die Tragelemente 2, .3 aus einem Kohlenstoffgewebe 8 (Fig. 2) her und verbindet den Gitterteil 1 mit den Tragelementen 2, 3 durch Bewickeln mit Kohlenstoffäden 9. Im allgemeinen Fall können die
Tragelemente 2, 3 (Fig. 1) aus verschiedenen Konstruktions■ werkstoffen, darunter aus Graphit, Pyrographit sowie aus verschiedenen Metallen hergestellt werden. Die Tragelemente 2, 3 aus hochschmelzenden Metallen weisen den Nachteil auf, daß sie mit dem Gitterteil 1 aus den Kohlenstoffasern nach den Ausdehnungskoeffizienten unverträglich sind. Außerdem ist bei erhöhten Temperaturen die Bildung von Karbiden der hochschmelzenden Metalle durch deren Verbindung' mit den Kohlenstoffäden und dem Koks möglich, was eine Senkung der mechanischen Festigkeit der Elektrode zur Folge hat.
Die Tragelemente 2, 3 aus Graphit weisen ungenügende mechanische Festigkeit auf, während die Herstellung der Tragelemente 2, 3 aus Pyrographit sehr arbeitsintensiv ist. Dabei sind die Kohlenstoffasern in dem Faden 9 (Fig. 2) und im Gewebe 8 sowie die Fäden 9 selber miteinander auch
mit Koks verbunden. Die Anwendung der Tragelemente 2, 3 (Fig. 1) aus dem Gewebe und das genannte Verfahren der Verbindung derselben mit dem Gitterteil 1 der Elektrode lassen hohe Betriebstemperaturen und hohe Thermozyklen infolge der Verträglichkeit aller Bauteile der Elektrode nach den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu.
Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Elektrode überzieht man zweckmäßigerweise die Fäden 6, 7 (Fig. .3) ihres Gitterteils 1 oder- die ganze Elektrode mit einer Schicht 10 von Koks aus einem organischen Polymeren. Der Koks in dem Überzug kann sowohl durch die Pyrolyse desselben Polymeren wie beim Durchtränken der Fäden, als auch eines Polymeren anderen Typs gebildet werden.
Die genannte Schicht 10 erhöht die Festigkeit der Elektrode und die Zuverlässigkeit der Verbindung der Fäden 6, 7 miteinander an den Kreuzungsstellen des Gitterteils (Fig. 1) und seiner Verbindung mit den Tragelementen 2, Die Dicke der Schicht 10 (Fig. 2, 3) darf nicht sehr groß sein, weil dies zu einer unzulässigen Senkung des Durchgriffs der Elektrode führen kann. Zur Erzielung eines positiven Effektes liegt zweckmäßigerweise die Schichtdicke zwischen 10 und 50 ,um. Die beschriebene Schicht kann einen hochschmelzenden elektrisch leitenden Werkstoff in einer Menge von 5 bis 30 Gewichtsprozent enthalten. Die Rolle des hochschmelzenden Werkstoffes in der Schicht 10 ist die gleiche wie auch in dem die Fasern der Fäden verbindenden Koks.
Zur weiteren Steigerung der mechanischen Festigkeit, der Formbeständigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit der Elektrode füllt man zweckmäßigerweise alle Poren, Hohlräume, Risse und andere fehlerhafte Stellen mit dem Pyrokohlenstoff, der sich bei der Zersetzung kohlenstoff-
haltiger Gase (beispielsweise des Methans) bei Temperaturen von 800 bis 1200 °C bildet. Dabei füllt man die Poren und Hohlräume zweckmäßigerweise bis zur Erzielung einer mittleren Dichte des Werkstoffes der
3
Fäden von 1,7 bis 2,0 g/cm . Die Füllung der fehlerhaften Stellen mit dem Pyrokohlenstoff bis zur Erzielung einer Dichte von weniger als 1,7 g/cm ist nicht zweckmäßig, weil der Effekt der Steigerung der mechanischen Festigkeit und der Formbeständigkeit dabei sehr gering ist, während die Füllung der fehlerhaften Stellen bis zur
3 Erzielung einer Dichte von mehr als 2,0 g/cm infolge der Zunahme der Prozeßdauer unzweckmäßig ist.
Eine Steigerung der mechanischen Festigkeit, der Formbeständigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit kann durch Aufbringen einer Schicht von Pyrographit, der sich bei der Zersetzung eines kohlenstoffhaltigen Gases bei einer Temperatur von 1600 bis 2200 0C bildet, auf die Oberfläche der Fäden des Gitterteils 1 und der.Tragelemente 2, 3 herbeigeführt werden.
Die Dicke der Pyrographitschicht liegt zweckmäßigerweise in einem Bereich von 10 bis 50 ,um, weil dieser Bereich die Erzielung des positiven Effektes gewährleistet und den "Durchgriff" der Elektrode nicht wesentlich verringert.
Für die Herstellung einer erfindungsgemäßen gitterförmigen Elektrode führt man die Kohlenstoffaserfäden durch eine Wanne mit einer Lösung eines organischen Polymeren in der Weise hindurch, daß diese mit der genannten Lösung durchtränkt werden.
Als organisches Ausgangspolymeres kommen verschiedene organische Polymeren in Frage, welche mindestens 20 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthalten und zur Bildung eines Koksrückstandes bei der Pyrolyse fähig sind, die nach der irreversiblen Härtung, d.h; im gehärteten Zustand, durchgeführt wird. Als solche polymeren Stoffe verwendet man organische Polymeren aus der Gruppe der Phenol-, Furan-, Furfuryl-, Akryl-, Vinyl-, Polyamidharze, der Erdöl- und Steinkohlenharze bzw-, -teere und Peche und ihrer Derivate.
Es soll bemerkt werden, daß unter den oben genannten Polymeren besonders Phenol-Formaldehyd-Harze und verschiedene Peche geeignet sind, die Ausbeuten an Koksrückstand ergeben, die 50 Gewichtsprozent übersteigen.
in der Praxis ist es zweckmäßig, Phenol-Formaldehyd-Harze auf Grund ihrer thermoreaktiven Eigenschaften zu verwenden.
Im Falle der Verwendung von Pechen muß man infolge ihrer Thermoplastizxtät die Operation der Oxydation zu ihrer Überführung in den härtbaren Zustand einschalten, was die Arbeitsintensxtät der Technologie etwas erhöht. ■
Zur befriedigenden Durchtränkung der Kohlenstofffäden soll das Polymere die vorgegebene Viskosität besitzen, die von dem Typ des polymeren Werkstoffes und der Kohlenstoffäden abhängt.
So ist es beispielsweise bei der Verwendung von Phenol-Formaldehyd-Harz als Polymerem zweckmäßig, dieses auf eine Viskosität von 150 bis 200 cP durch Auflösen in Äthylalkohol zu bringen.
Nach der Durchtränkung führt man jeden Faden durch eine Kalibrieröffnung beispielsweise vom Typ einer Düse hindurch, um dem Faden das vorgegebene Profil und eine glatte Oberfläche ohne Ansätze und Rauhigkeiten zu verleihen, und bildet auf einem Dorn (nicht angedeutet) eine gitterförmige Elektrode. Der Dorn entspricht in der Form und den Abmessungen der gitterförmigen Elektrode und hat an der Seitenfläche Nuten zum Einlegen der Fäden.
Bei der Bildung der gitterförmigen Elektrode befestigt man zunächst an dem Dorn die vorher angefertigten Tragelemente 2, 3 und bildet eine gitterförmige Struktur durch Aufwickeln der Fäden auf den Dorn in der Weise, daß dessen Ränder oberhalb der Tragelemente 2, 3 zu liegen kommen. Dann befestigt man mit dem mit einem organischen Polymeren durchtränkten Kohlenstoffaden 9 den Gitterteil 1 an den Tragelementen 2, 3 durch dessen Aufwickeln auf die Tragelemente 2; 3 zusammen mit dem Gitterteil 1.
Zum Herbeiführen einer zuverlässigen Verbindung der sich kreuzenden Fäden 6, 7 miteinander können sie an den Kreuzungsstellen nach Strickmethoden zusammengeflochten werden.
Das Zusammenflechten ist in einigen Fällen vorzuziehen, weil es wie auch das Aufwickeln gestattet, den Prozeß der Bildung der Elektrode zu mechanisieren und eine hohe Produktivität unter Einhalten, der vorgegebenen geometrischen Abmessungen der gitterförmigen Elektrode einschließlich der Abmessungen der Maschen zu gewährleisten.
Dann erhitzt man den Dorn mit der Elektrode in einem bei einer Temperatur von 100 bis 200 Härten des organischen polymeren Stoffes.
Ofen bei einer Temperatur von 100 bis 200 0C bis zum
. - 25 -
Bei der Verwendung eines thermoplastischen Stoffes als organischen Polymeren muß nach der Bildung der •Elektrode dieser Stoff in den härtbaren Zustand beispielsweise durch Oxydation übergeführt werden. So unterwirft man beim Durchtränken der Fäden mit einer . Lösung von Pech in Benzol die an dem Dorn gebildete Elektrode einer Oxydation in der Atmosphäre von Ozon bei ,einer Temperatur von 50 bis 80 0C0 oder der Luft /einer Temperatur von 100 bis 260 .C bis zu ihrer voll-
. ständigen Härtung. Dann trennt man die Elektrode von dem Dorn ab und unterwirft sie einer Pyrolyse durch Erhitzung in einem neutralen, reduzierenden Medium oder in Vakuum auf eine Temperatur von mindestens 800 C.
Zur Verbesserung der mechanischen und elektrischen Kennwerte' der Elektrode gibt man zweckmäßig dem die Kohlenstoffasern des Fadens verbindenden Koks einen hochschmelzenden, feindispersen, elektrisch leitenden Werkstoff zu. Dazu durchtränkt man die Fäden mit einem flüssigen organischen Polymeren, das gemahlenes Pulver eines hochschmerzenden, elektrisch leitenden Werkstoffes enthält, das in dem Volumen des Polymeren in suspendier-• tem Zustand gleichmäßig verteilt.ist. Die Menge des Pulvers wird so bemessen, daß der Koks nach der Pyrolyse 5 bis 30 Gewichtsprozent davon enthält.
Zur weiteren Verbesserung der elektrischen und mechanischen Kennwerte überzieht man die Elektrode mit einer Schicht von Koks, der einen hochschmelzenden, elektrisch leitenden Werkstoff in feindisperser Form enthalten kann.
Dazu bringt man auf die Elektrode nach dem Härten des polymeren Werkstoffes und der Abtrennung der Elektrode von dem Dorn eine Schicht eines polymeren Werkstoffes desselben oder eines anderen Typs mit einem hochschmelzenden, elektrisch leitenden Werkstoff oder ohne diesen auf.
Das Aufbringen der Schicht kann nach einem beliebigen bekannten Verfahren geschehen. Besonders geeignet ist das Spritzen oder Eintauchen in eine Lösung. Beim
Eintauchen und Spritzen darf die Viskosität der Lösung zur Erzielung einer gleichmäßigen Schicht unter genauem Einhalten der vorgegebenen Schichtdicke nicht hoch sein. So soll beispielsweise bei der Verwendung von Phenol— Formaldehyd-Harz· die Viskosität der Lösung desselben im Äthylalkohol etwa bei 2 cP liegen. Nach dem Aufbringen der polymeren Schicht unterwirft man dieser einer irreversiblen Härtung und führt die Pyrolyse durch.
Die erfindungsgemäß hergestellte gitterförmige Elektrode besitzt·gegenüber den bekannten Elektroden verbesserte Eigenschaften, deren wichtigste sind:
- hohes Emissionsvermögen, das es gestattet, eine große Leistung bei vorgegebener Temperatur zu streuen;
- hohe Thermostabil!tat, die es gestattet, die· Elektrode bei erhöhten Betriebstemperaturen zu betreiben;
- mechanische Festigkeit, die mit zunehmender Betriebstemperatur höher wird;
- hohe Beständigkeit gegen Elektronen- und Ionenbeschuß;
- hohe elektrische Festigkeit.
Die Erfindung gestattet es, auf ihrer Grundlage verschiedene Elemente von Elektronengeräten, darunter Steuer- und Schirmgitter, eine Unterlage für die Kathodenelektrode .und verschiedene Typen von Heizelementen zu erzeugen.
Die Bauarten der erwähnten Elemente besitzen verbesserte Betriebsparameter, in erster Linie hohe Thermo-
Stabilität, mechanische Festigkeit und Beständigkeit gegen Elektronen- und Ionenströme.
Das Verfahren zur Herstellung einer gitterförmigen Elektrode erfordert keinen großen Energie- und Investitionsaufwand, läßt sich leicht automatisieren und gewährleistet eine hohe Produktivität.
Die Anwendung der gitterförmigen Elektrode gcstatlot es, verhältnismäßig billige Elektronengeräte zu bauen, die eine hohe Ausgangsleistung, einen breiten Frequenzbereich, eine hohe elektrische und mechanische Festigkeit sowie eine große Lebensdauer aufweisen und im Betrieb zuverlässig sind.
Leerseite

Claims (19)

  1. Ansprüche
    1/. Gitterförmige Elektrode für Elektronengeräte, lh der der eigentliche Gitterteil durch Kohlenstoffaserfäden gebildet ist,
    dadurch
    gek e nnz e ichne t,
    daß die Fasern der Kohlenstoffäden (6,7) miteinander durch Koks aus einem organischen Polymeren verbunden sind.
  2. 2. Elektrode nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, .
    daß die Menge des verbindenden Kokses aus dem organischen Polymeren in den Fäden (6, 7) 10 bis 50 Gewichtsprozent beträgt.
  3. 3. Elektrode nach Anspruch 1 oder. 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Koks aus dem organischen Polymeren 5 bis 30 Gewichtsprozent eines elektrisch leitenden, hochschmelzenden Werkstoffes enthält.
  4. 4. Elektrode nach einem der Ansprüche . 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    530-(P 89.176-E-61)-tMs
    320507b
    daß die den Gitterteil (1) bildenden Fäden (6, 7) mindestens an einem Tragelement (2, 3) an seinem Umfang mit Hilfe von Kohlenstoffäden (9) befestigt sind, deren Pasern miteinander durch Koks aus einem organischen Polymeren verbunden sind.
  5. 5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
    daß die den Gitterteil (1) bildenden Fäden (6, 7) mindestens an einem Tragelement (2, 3) befestigt sind, das aus einem Gewebe (8) besteht, dessen Kohlenstoffäden und die diese bildenden Fasern miteinander durch Koks aus einem organischen Polymeren verbunden sind.
  6. 6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
    .daß die Fäden(6, 7) . mindestens des Gitterteils (1) der . Elektrode von allen Seiten mit einer Schicht (10) von Koks aus einem organischen Polymeren überzogen sind, welche diese miteinander verbindet und einen hochschmelzenden, elektrisch leitenden Werkstoff enthält.·
  7. 7. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Poren und Risse der Fäden (6, 7), deren Fasern miteinander durch Koks aus dem organischen Polymeren verbunden sind, mit Pyrokohlenstoff bis zu einer mittleren Dichte des Fadenwerkstoffes von 1,7 bis 2,0 g/cm3 gefüllt sind.
  8. 8. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß man als Koks aus dem organischen Polymeren einen glasartigen Kohlenstoff verwendet.
  9. 9. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
    daß ihre Kohlenstoffäden (6, 7) von allen Seiten mit einer Schicht von Pyrographit überzogen sind.
  10. 10. Verfahren zur Herstellung einer gitterförmigen Elektrode mit einem Gitterteil· aus Kohlenstoffaserfäden nach Anspruch 1, ·
    .dadurch gekennzeichnet,
    daß man jeden Kohlenstoffaserfaden (6, 7) durch ein flüssiges organisches Polymeres mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens. 20 Gewichtsprozent, das nach der vorhergehenden irreversiblen Härtung zur Verkohlung fähig ist, in der Weise leitetr daß mit dem Polymeren durchtränkt wird, dann aus diesen Fäden (6, 7) auf einem Dorn eine gitterförmige Elektrode bildet und diese einer Erhitzung bis zur irreversiblen Härtung des die Fäden durchtränkenden Poiymeren und danach einer Erhitzung bis zur Pyrolyse des Polymeren unterwirft.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß man bei der Bildung der gitterförmigen Elektrode die sich kreuzenden Fäden (6, 7) des Gitterteils (1) miteinander nach Strickmethoden verflechtet.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,
    daß man- als organisches Polymeres zum Durchtränken der Fäden (6, 7) ein Polymeres verwendet, das aus der Gruppe
    *** 320507b
    gewählt wird, die aus Phenol-, Furan-, Furfuryl-, Akrylharzen, Harzen der Vinylreihe, Erdöl-, Steinkohlenteeren und Pechen besteht.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß man als flüssiges organisches Polymeres für die Durchtränkung der Fäden (6, 7) eine Lösung von Phenol-Formaldehyd-Harz in Äthylalkohol verwendet.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
    ■ daß man bei der Verwendung eines thermoplastischen Polymeren als organischen Polymeren zur Durchtränkung der Fäden (6, 7) nach der Bildung der gitterförmigen Elektrode das Polymere in den härtbaren Zustand über-
    ' führt.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Durchtränkung der Fäden (6, 7) mit dem flüssigen organischen Polymeren diese durch eine Kalibrieröffnung zu ihrer notwendigen Profilierung hindurchgeführt werden.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man nach der irreversiblen Härtung des flüssigen organischen Polymeren die gitterförmige Elektrode von dem Dorn abtrennt.
  17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß man vor der Bildung der gitterförmigen Elektrode auf dem Dorn mindestens ein Tragelement (2, 3) anbringt und nach der Bildung des Gitterteils (1) der Elektrode
    *'■■*- '." "" " "" 32Ü5075
    diesen an dem Tragelement (2, 3) durch Aufwickeln eines mit dem flüssigen organischen Polymeren durchtränkten Kohlenstoffaserfadens (9) auf den Gitterteil (1) befestigt. .
  18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
    daß jeder Kohlenstoffaserfaden (6, 7, 9) durch ein flüssiges organisches Polymeres hindurchgeführt wird, das einen feindispersen, hochschmelzenden, elektrisch leitenden Werkstoff enthält.
  19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
    . daß man nach der irreversiblen Härtung des organischen . Polymeren die Fäden (6, 7) mindestens des Gitterteils (1) der Elektrode von allen Seiten mit einer Schicht (10) eines flüssigen organischen Polymeren mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 20 Gewichtsprozent, das nach der vorhergehenden irreversiblen Härtung zur Verkohlung fähig ist, überzieht und die Elektrode einer Erhitzung bis zur irreversiblen Härtung des Polymeren in der genannten Schicht (10) unterwirft.
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