[发明专利]石墨复合阴极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨复合阴极及其制备方法。该石墨复合阴极主要以石墨粉和/或炭黑粉为基体材料、以碳纤维和/或SiC晶须为掺杂材料、以中温沥青为粘接剂制备而成。制备方法包括（1）阴极材料的配料；（2）混合粉料的制备；（3）混合粉料的混捏；（4）混合粉体的成型；（5）坯体的浸渍与焙烧；（6）阴极加工。本发明的石墨复合阴极场增强因子大、电子发射性能好，制备方法简单方便，成本低廉。

技术领域

本发明涉及一种石墨复合阴极及其制备方法，特别涉及一种大长径比纤维或晶须掺杂石墨复合阴极及其制备方法，可应用于强流脉冲电子束技术、高功率微波等领域。

背景技术

高功率微波源（HPM源）通过真空二极管阴极发射的高功率电子束在一定的电磁结构中进行束波能量交换，将电子束的能量转化为电磁波的能量，从而产生高功率微波。因此阴极是高功率微波系统中至关重要的部件。

近年来HPM源用阴极材料研究主要集中在金属、天鹅绒和石墨上。金属阴极对真空要求低，爆炸过程中产生大量的等离子体并形成强流电子发射。但金属阴极的缺点较多：金属的电子发射阈值电场较高，因而发射启动较慢；金属在爆炸发射过程中表面易熔化而破坏，导致发射电流大大下降；金属阴极在发射过程中材料熔化蒸发严重，导致等离子体膨胀速度过快，有效二极管间隙迅速缩短，造成二极管阻抗和电流不稳定。天鹅绒有很高的形状场增强因子，具有发射阈值低（E≤10⁴ V/cm）、启动延迟时间短（≤10 ns）、发射电流密度大等优点。但天鹅绒阴极也有高放气率、易烧损等缺点，使其在重频HPM系统中的应用受到了很大的限制。石墨是以sp²杂化轨道的碳原子六边形网格为主体的炭素材料的总称。石墨材料具有良好的耐高温（>3500℃）、导热和导电性能、稳定性好、成本低等优点，并且易于加工成形。作为爆炸发射阴极，石墨则表现出低出气率和长寿命的优点，被广泛应用于高阻抗HPM源（如相对论返波振荡器）中，是产生重频长脉冲HPM的重要候选阴极材料。然而，石墨阴极存在发射电子束流均匀性较差，电流密度较低、发射阈值较高的缺点，此外，石墨阴极经重复频率电子发射后，多脉冲次数后环形石墨边缘明显变平滑，导致场增强效果减弱，发射性能降低。

碳纤维作为最重要的纤维类材料，已经在高功率微波源用阴极上得到了较多的研究。研究结果表明，碳纤维阴极放气率低，等离子体膨胀速率小，当等离子体大面积覆盖在阴极表面时其膨胀速率约为1.0～2.0cm/μs，此外碳纤维熔点极高，真空氛围下耐高温烧蚀，使用寿命长达10⁶次以上。由于碳纤维具有较大的长径比，可以达到几十甚至数千，碳纤维阴极的综合发射性能较好，但如何制备出纤维分布均匀可控且满足形状尺寸要求的阴极是其工程化应用所面临的主要困难，此外，碳纤维阴极还存在着结构均匀性难以控制的问题。

SiC晶须与碳纤维类似，也是一种具有较大长径比的材料，并且其晶体内杂质少，具有高度取向性，因此晶须类材料也是一类重要的电子发射材料。Zhengwei Pan等认为碳化硅纳米线具有较低的电子发射阈值，并且具有电流密度高，发射性能稳定的特点（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，碳化硅晶须（或纳米线）难以制成尺寸较大且具有一定强度的阴极，因此在强流爆炸发射阴极的应用上受到了极大的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种场增强因子大、电子发射性能好、大长径比碳纤维和/或SiC晶须掺杂的石墨复合阴极及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种石墨复合阴极，所述石墨复合阴极主要以石墨粉和/或炭黑粉为基体材料、以碳纤维和/或SiC晶须为掺杂材料、以中温沥青为粘接剂制备而成。