專利名稱：一種具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種碳基復合材料的制備方法，特別是涉及一種具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料的制備方法。
背景技術：
石墨是高功率微波中電子束二極管陰極的常用材料。由于石墨材料易碎、粉塵較大，而且易吸附氣體，在使用過程中經常污染真空環境，嚴重影響高功率微波器件的工作性能。因此急需發展新型陰極材料。碳基復合陰極材料是由碳纖維增強碳基體的復合材料， 它既改善了石墨材料易碎、粉塵較大及易吸附氣體等缺點，同時也保持了石墨耐高溫、電子發射均勻等優點，已成為高取向發射特性陰極材料的發展方向。獲得具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料的關鍵是僅可能保留增強體碳纖維空間排布的方向性和基體碳結構的高織構化。化學氣相滲碳工藝是制備高性能碳基復合陰極材料的首選方法，該方法制備的基體熱解碳具有結構均勻、完整、致密性好等優點。但缺點是基體熱解碳結構難以控制。化學氣相滲碳是一個復雜的工藝過程，在這一過程中，碳源氣體在1000°c高溫條件下，裂解出碳，并沉積到碳纖維表面，形成基體熱解碳。生成的基體熱解碳主要有三種典型的結構類型，分別是低織構的各向同性熱解碳、中織構的光滑層結構熱解碳，以及高織構的粗糙層結構熱解碳?；w熱解碳的結構主要受碳源氣體在預制體中的流動、裂解和沉積過程控制。因此，必須采用特殊工藝，控制碳源氣體在預制體中的流動、裂解和沉積過程，獲得高織構熱解碳基體。發明目的本發明所要解決的技術問題是提供一種在高取向碳纖維預制體上獲取高織構熱解碳基體的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料的制備方法。為了解決上述技術問題，本發明提供的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料的制備方法，包括下述步驟1)編織高取向碳纖維預制體，使得碳纖維預制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為 0 15度；2)將碳纖維預制體置于化學氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、N2為稀釋氣，實施化學氣相滲碳在碳纖維預制體內得到基體碳，控制C3H6 隊體積比為1.5 4 1、爐溫為 1000 1100°C、爐壓為21 30kPa，累計化學氣相滲碳400 500h后出爐，其間進行3 6次中間石墨化處理；3)將得到基體碳的碳纖維預制體置于高溫爐實施最終石墨化處理，控制爐內氣氛為氬氣0. 11 0. 13Mpa、爐溫為MOO 2700°C、保溫時間為1 2h，隨爐冷卻即得具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料。所述的碳纖維預制體的表觀密度為0. 81g/cm3 1. 2g/cm3。所述的基體碳為高織構熱解碳基體，其石墨化度為90% 100%。所述的中間石墨化處理是將得到基體碳的碳纖維預制體置于高溫爐實施石墨化處理，爐內氣氛為氬氣0. 11 0. 13Mpa、爐溫為2000 2200°C、保溫時間為1 濁。本發明由于采用上述工藝方法，因而，具有如下優點和積極效果1、采用C3H6 N2體積比為1. 5 4 1的高體積比，保證碳基復合材料的快速滲碳。2、采用21 30kPa的高爐壓，保證碳基復合材料的均勻化學氣相滲碳，避免產生密度不均勻性。3、通過步驟1和步驟2，保證碳基復合材料中基體熱解碳的高織構化。4、采用本發明，以表觀密度為0. 86g/cm3的碳纖維預制體，經400 500h化學氣相滲碳，即可制備表觀密度為1. 87g/cm3的碳基復合材料，材料軸向抗拉強度為U6Mpa，熱膨脹系數為2. 6X 10_6/°C，熱導率為56W/m · K、發射電流密度大于lkA/cm2。綜上所述，本發明提供的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料的制備方法， 通過采用高取向碳纖維預制體，控制碳源氣體在預制體中的流動、裂解和沉積過程，獲得高織構熱解碳基體，為具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料的制備提供了一種切實可行的方法。


圖1為本發明工藝流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。實施例1 參見圖1，編織高取向碳纖維預制體，碳纖維預制體的表觀密度為0. 81g/cm3，使得碳纖維預制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為0度；將碳纖維預制體置于化學氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊為稀釋氣，實施化學氣相滲碳在碳纖維預制體內得到基體碳即高織構熱解碳基體，控制C3H6 N2體積比為1.5 1、爐溫為1000°C、爐壓為30kPa，累計化學氣相滲碳500h后出爐，其間進行5次中間石墨化處理，中間石墨化處理是將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，爐內氣氛為氬氣0. llMpa、爐溫為2200°C、 保溫時間為池；將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，控制爐內氣氛為氬氣0. llMpa、爐溫為2400、保溫時間為2h，高織構熱解碳基體的石墨化度為 90%，隨爐冷卻即得本發明的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料。實施例2 參見圖1，編織高取向碳纖維預制體，碳纖維預制體的表觀密度為0. 9g/cm3，使得碳纖維預制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為4度；將碳纖維預制體置于化學氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊為稀釋氣，實施化學氣相滲碳在碳纖維預制體內得到基體碳即高織構熱解碳基體，控制C3H6 N2體積比為2 1、爐溫為1100°C、爐壓為^kPa,累計化學氣相滲碳500h后出爐，其間進行5次中間石墨化處理，中間石墨化處理是將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，爐內氣氛為氬氣0. 13Mpa、爐溫為2000°C、 保溫時間為1. 5h ；將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，控制爐內氣氛為氬氣0. llMpa、爐溫為M00°C、保溫時間為2h，高織構熱解碳基體的石墨化度為92%，隨爐冷卻即得本發明的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料。實施例3 參見圖1，編織高取向碳纖維預制體，碳纖維預制體的表觀密度為1. Og/cm3，使得碳纖維預制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為8度；將碳纖維預制體置于化學氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊為稀釋氣，實施化學氣相滲碳在碳纖維預制體內得到基體碳即高織構熱解碳基體，控制C3H6 N2體積比為2. 5 1、爐溫為1100°C、爐壓為^kPa,累計化學氣相滲碳400h后出爐，其間進行5次中間石墨化處理，中間石墨化處理是將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，爐內氣氛為氬氣0. 12Mpa、爐溫為2100°C、 保溫時間為Ih ；將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，控制爐內氣氛為氬氣0. 12Mpa、爐溫為2500°C、保溫時間為2h，高織構熱解碳基體的石墨化度為 94%，隨爐冷卻即得本發明的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料。實施例4 參見圖1，編織高取向碳纖維預制體，碳纖維預制體的表觀密度為1. lg/cm3，使得碳纖維預制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為10度；將碳纖維預制體置于化學氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊為稀釋氣，實施化學氣相滲碳在碳纖維預制體內得到基體碳即高織構熱解碳基體，控制C3H6 N2體積比為3 1、爐溫為1100°C、爐壓為MkPa，累計化學氣相滲碳450h后出爐，其間進行4次中間石墨化處理，中間石墨化處理是將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，爐內氣氛為氬氣0. llMpa、爐溫為2200°C、保溫時間為1. 2h ；將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，控制爐內氣氛為氬氣0. 12Mpa、爐溫為2500°C、保溫時間為1. 5h，高織構熱解碳基體的石墨化度為 94%，隨爐冷卻即得本發明的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料。實施例5 參見圖1，編織高取向碳纖維預制體，碳纖維預制體的表觀密度為0. 88g/cm3，使得碳纖維預制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為15度；將碳纖維預制體置于化學氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊為稀釋氣，實施化學氣相滲碳在碳纖維預制體內得到基體碳即高織構熱解碳基體，控制C3H6 N2體積比為3. 5 1、爐溫為1000°C、爐壓為22kPa，累計化學氣相滲碳450h后出爐，其間進行4次中間石墨化處理，中間石墨化處理是將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，爐內氣氛為氬氣0. 13Mpa、爐溫為2000°C、 保溫時間為1. 6h ；將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，控制爐內氣氛為氬氣0. 12Mpa、爐溫為^00°C、保溫時間為1. 5h，高織構熱解碳基體的石墨化度為95%，隨爐冷卻即得本發明的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料。實施例6:參見圖1，編織高取向碳纖維預制體，碳纖維預制體的表觀密度為0. 95g/cm3，使得碳纖維預制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為7度；將碳纖維預制體置于化學氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊為稀釋氣，實施化學氣相滲碳在碳纖維預制體內得到基體碳即高織構熱解碳基體，控制C3H6 N2體積比為4 1、爐溫為1050°C、爐壓為21kPa，累計化學氣相滲碳400h后出爐，其間進行3次中間石墨化處理，中間石墨化處理是將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，爐內氣氛為氬氣0. 13Mpa、爐溫為2100°C、 保溫時間為池；將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，控制爐內氣氛為氬氣0. 13Mpa、爐溫為^00°C、保溫時間為lh，高織構熱解碳基體的石墨化度為 98%，隨爐冷卻即得本發明的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料。實施例7 參見圖1，編織高取向碳纖維預制體，碳纖維預制體的表觀密度為1. lg/cm3，使得碳纖維預制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為5度；將碳纖維預制體置于化學氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊為稀釋氣，實施化學氣相滲碳在碳纖維預制體內得到基體碳即高織構熱解碳基體，控制C3H6 N2體積比為3 1、爐溫為1000°C、爐壓為21kPa，累計化學氣相滲碳400h后出爐，其間進行3次中間石墨化處理，中間石墨化處理是將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，爐內氣氛為氬氣0. 12Mpa、爐溫為2000°C、 保溫時間為Ih ；將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，控制爐內氣氛為氬氣0. 13Mpa、爐溫為2700°C、保溫時間為lh，高織構熱解碳基體的石墨化度為 100%，隨爐冷卻即得本發明的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料。實施例8 參見圖1，編織高取向碳纖維預制體，碳纖維預制體的表觀密度為1. 2g/cm3，使得碳纖維預制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為2度；將碳纖維預制體置于化學氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊為稀釋氣，實施化學氣相滲碳在碳纖維預制體內得到基體碳即高織構熱解碳基體，控制C3H6 N2體積比為3 1、爐溫為1100°C、爐壓為21kPa，累計化學氣相滲碳500h后出爐，其間進行6次中間石墨化處理，中間石墨化處理是將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，爐內氣氛為氬氣0. llMpa、爐溫為2200°C、 保溫時間為1. 5h ；將碳纖維預制體和高織構熱解碳基體置于高溫爐實施石墨化處理，控制爐內氣氛為氬氣0. 12Mpa、爐溫為2700°C、保溫時間為2h，高織構熱解碳基體的石墨化度為 100%，隨爐冷卻即得本發明的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料。
權利要求
1.一種具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料的制備方法，其特征是包括下述步驟(1)、編織高取向碳纖維預制體，使得碳纖維預制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為 0 15度；(2)、將碳纖維預制體置于化學氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、N2為稀釋氣，實施化學氣相滲碳在碳纖維預制體內得到基體碳，控制C3H6 隊體積比為1.5 4 1、爐溫為 1000 1100°C、爐壓為21 30kPa，累計化學氣相滲碳400 500h后出爐，其間進行3 6次中間石墨化處理；(3)、將得到基體碳的碳纖維預制體置于高溫爐實施最終石墨化處理，爐內氣氛為氬氣 0. 11 0. 13Mpa、爐溫為MOO 2700°C、保溫時間為1 2h，隨爐冷卻即得具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料。
2.根據權利要求1所述的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料的制備方法，其特征在于所述的碳纖維預制體的表觀密度為0. 81g/cm3 1. 2g/cm3。
3.根據權利要求1所述的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料的制備方法，其特征在于所述的基體碳為高織構熱解碳基體，其石墨化度為90% 100%。
4.根據權利要求1所述的具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料的制備方法，其特征在于所述的中間石墨化處理是將得到基體碳的碳纖維預制體置于高溫爐實施石墨化處理，爐內氣氛為氬氣0. 11 0. 13Mpa、爐溫為2000 2200°C、保溫時間為1 濁。
全文摘要
本發明公開了一種具有高取向發射特性的碳基復合陰極材料的制備方法，包括下述步驟1)編織高取向碳纖維預制體，使得碳纖維預制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為0～15度；2)將碳纖維預制體置于化學氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、N2為稀釋氣，實施化學氣相滲碳在碳纖維預制體內得到基體碳，控制C3H6∶N2體積比為1.5～4∶1、爐溫為1000～1100℃、爐壓為21～30kPa，累計化學氣相滲碳400～500h后出爐，其間進行3～6次中間石墨化處理；3)置于高溫爐實施最終石墨化處理，控制爐內氣氛為氬氣0.11～0.13MPa、爐溫為2400～2700℃、保溫時間為1～2h，隨爐冷卻即可。本發明通過采用高取向碳纖維預制體，控制碳源氣體在預制體中的流動、裂解和沉積過程，獲得高織構熱解碳基體。
文檔編號C04B35/83GK102320853SQ201110244028
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月24日 優先權日2011年8月24日
發明者周顯光, 夏莉紅, 張小英, 張福勤, 梁世棟 申請人:中南大學