Abstract
本文分别从基体和铝酸盐两方面优化了钡钨阴极。在基体方面，首先采用窄粒度钨粉结合放电等离子体烧结获得了孔径分布窄的基体。再利用射频等离子体球化技术制备了球形钨粉，采用球形钨粉制备了多孔基体，获得了孔通道光滑，内孔连通性好，孔径分布更加窄的基体。与窄粒度钨粉基体相比，发现球形钨粉制备的阴极，空间电荷限制区的斜率由1.25增加至1.37，发射均匀性得到提高，拐点电流密度由6.6 A/cm2增至6.96 A/cm2。在此基础上，采用液相法改善了铝酸盐物相组成，发现空间电荷限制区的斜率增加至1.44，拐点电流密度增加至21.2 A/cm2。通过理论计算对钡钨阴极发射的物理本质进行了研究，发现钡钨阴极发射规律遵循偶极子理论。
Highlights
The micro morphologies at different magnifications: (a) and (b) aluminate precursor prepared by solid phase method; (c) and (d) aluminate precursor prepared by liquid phase method
3) N+S、S+S 两种阴极 space charges limited (SCL) 区的斜率分别为 1.25 和 1.37,1050 °C的 jDEV 分别为 6.6 A·cm-2 和 6.96 A·cm-2,基体的改进使得均匀性明显提高,电流密度提高不明显。S+L 阴极 SCL 区的 斜率为 1.44,1050 °C下,jDEV 达到 21.2 A·cm-2,远高于 S+S 阴极,铝酸盐的改善使得发射均 匀性和电流密度都得到了明显提高。
Summary
工艺由于钨粉粒径分布宽,再经过长时间的高温烧结,基体孔径分布宽、钨晶粒粗大且开孔率 低[2]。尽管采用注射成型工艺[3]制备了孔径分布均匀的多孔体,但是该工艺繁杂、效率低。放 电等离子体烧结(Spark plasma sintering SPS)是一种迅速固结粉体的技术,它利用脉冲电流产生 的瞬时高温快速致密化粉末,通过去除粉末表面氧化物可以提高烧结活性,从而降低烧结温度, 达到抑制晶粒长大的目的[4,5,6],工艺简单、可重复性好,目前已被广泛应用于制备金属、陶瓷[7]、 复合物[8]等领域。本团队在前期利用 SPS 制备的多孔体制备了阴极,证明了其可行性,但是未 对阴极性能进行深入的理论探索[9]。在粉末特性方面,Li[10]等人采用气流磨法制备了窄粒度钨 粉,并降低钨粉的活性,得到了孔径分布窄、钨晶粒尺寸均匀的多孔体,但未对钡钨阴极进行 研究。在此基础上,球形钨粉具有好的流动性、堆积孔隙排列规则,并且球形颗粒具有光滑的 球面,颗粒之间接触面积小,非常适合制备孔结构优良的多孔体。尽管球形钨粉制备多孔体已 有报道[11],但未涉及钡钨阴极。 图 2(a, b, c)为探针位置在焰炬顶端。图 2(a)是在送粉率为 2.5 g·min-1, 载气流量为 2.5 L·min-1 的实验条件下(A1B1C1)获得的球形粉末,所有的颗粒都变成了球形,球化率为 100%, 但是过低的送粉率及探针位于焰炬的顶端,颗粒充分获得了热,导致一些颗粒在焰区停留时间 过长,整体汽化,冷凝后吸附在较大球形颗粒的表面或者球化器的内壁上,球形粉末的产率及 效率较低,不利于降低能耗。在 A1B2C2 方案(图 2b)中,送粉率及载气流量提高后,所有的 The micro morphology of the power prepared using different spheroidization processes. 图 2(d, e, f)为探针位置在焰炬中间。在方案 A2B1C3(图 2d)中,送粉率较低为 2.5 g·min-1 时,球化率较高,达到 90%。提高送粉率后,在方案 A2B2C1 (图 2e)及 A2B3C2 (图 2f),球化 图 3 采用最优方案 A1B2C2 后获得的不同放大倍数的颗粒形貌 Fig. 3.
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