[發明專利]石墨復合陰極及其制備方法

有效

• 申請號: 201511014013.5
• 申請日: 2015-12-31
• 公開（公告）號: CN105645982B
• 公開（公告）日: 2018-11-20
• 發明（設計）人: 陳興宇;萬紅;華葉;白書欣;張為軍;劉卓峰
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B35/81;C04B35/532
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 趙洪;黃麗

本發明公開了一種石墨復合陰極及其制備方法。該石墨復合陰極主要以石墨粉和/或炭黑粉為基體材料、以碳纖維和/或SiC晶須為摻雜材料、以中溫瀝青為粘接劑制備而成。制備方法包括（1）陰極材料的配料；（2）混合粉料的制備；（3）混合粉料的混捏；（4）混合粉體的成型；（5）坯體的浸漬與焙燒；（6）陰極加工。本發明的石墨復合陰極場增強因子大、電子發射性能好，制備方法簡單方便，成本低廉。

技術領域

本發明涉及一種石墨復合陰極及其制備方法，特別涉及一種大長徑比纖維或晶須摻雜石墨復合陰極及其制備方法，可應用于強流脈沖電子束技術、高功率微波等領域。

背景技術

高功率微波源（HPM源）通過真空二極管陰極發射的高功率電子束在一定的電磁結構中進行束波能量交換，將電子束的能量轉化為電磁波的能量，從而產生高功率微波。因此陰極是高功率微波系統中至關重要的部件。

近年來HPM源用陰極材料研究主要集中在金屬、天鵝絨和石墨上。金屬陰極對真空要求低，爆炸過程中產生大量的等離子體并形成強流電子發射。但金屬陰極的缺點較多：金屬的電子發射閾值電場較高，因而發射啟動較慢；金屬在爆炸發射過程中表面易熔化而破壞，導致發射電流大大下降；金屬陰極在發射過程中材料熔化蒸發嚴重，導致等離子體膨脹速度過快，有效二極管間隙迅速縮短，造成二極管阻抗和電流不穩定。天鵝絨有很高的形狀場增強因子，具有發射閾值低（E≤10⁴ V/cm）、啟動延遲時間短（≤10 ns）、發射電流密度大等優點。但天鵝絨陰極也有高放氣率、易燒損等缺點，使其在重頻HPM系統中的應用受到了很大的限制。石墨是以sp²雜化軌道的碳原子六邊形網格為主體的炭素材料的總稱。石墨材料具有良好的耐高溫（>3500℃）、導熱和導電性能、穩定性好、成本低等優點，并且易于加工成形。作為爆炸發射陰極，石墨則表現出低出氣率和長壽命的優點，被廣泛應用于高阻抗HPM源（如相對論返波振蕩器）中，是產生重頻長脈沖HPM的重要候選陰極材料。然而，石墨陰極存在發射電子束流均勻性較差，電流密度較低、發射閾值較高的缺點，此外，石墨陰極經重復頻率電子發射后，多脈沖次數后環形石墨邊緣明顯變平滑，導致場增強效果減弱，發射性能降低。

碳纖維作為最重要的纖維類材料，已經在高功率微波源用陰極上得到了較多的研究。研究結果表明，碳纖維陰極放氣率低，等離子體膨脹速率小，當等離子體大面積覆蓋在陰極表面時其膨脹速率約為1.0～2.0cm/μs，此外碳纖維熔點極高，真空氛圍下耐高溫燒蝕，使用壽命長達10⁶次以上。由于碳纖維具有較大的長徑比，可以達到幾十甚至數千，碳纖維陰極的綜合發射性能較好，但如何制備出纖維分布均勻可控且滿足形狀尺寸要求的陰極是其工程化應用所面臨的主要困難，此外，碳纖維陰極還存在著結構均勻性難以控制的問題。

SiC晶須與碳纖維類似，也是一種具有較大長徑比的材料，并且其晶體內雜質少，具有高度取向性，因此晶須類材料也是一類重要的電子發射材料。Zhengwei Pan等認為碳化硅納米線具有較低的電子發射閾值，并且具有電流密度高，發射性能穩定的特點（Zhengwei Pan, Hau-Ling Lai, Frederick C. K. Au, et al, Oriented SiliconCarbide Nanowires: Synthesis and Field Emission Properties. Adv. Mater.,2000, 12(6), 1186-1190）。但是，碳化硅晶須（或納米線）難以制成尺寸較大且具有一定強度的陰極，因此在強流爆炸發射陰極的應用上受到了極大的限制。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種場增強因子大、電子發射性能好、大長徑比碳纖維和/或SiC晶須摻雜的石墨復合陰極及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種石墨復合陰極，所述石墨復合陰極主要以石墨粉和/或炭黑粉為基體材料、以碳纖維和/或SiC晶須為摻雜材料、以中溫瀝青為粘接劑制備而成。