專利名稱：一種具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳基復(fù)合材料的制備方法，特別是一種碳基復(fù)合陰極材料的化學(xué)氣相滲制備方法。
背景技術(shù)：
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(jīng)常污染真空環(huán)境，嚴(yán)重影響高功率微波器件的工作性能。因此急需發(fā)展新型陰極材料。碳基復(fù)合陰極材料是由碳纖維增強(qiáng)碳基體的復(fù)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(diǎn)，同時(shí)也保持了石墨耐高溫、電子發(fā)射均勻等優(yōu)點(diǎn)，已成為高取向發(fā)射特性陰極材料的發(fā)展方向。獲得具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料的關(guān)鍵是僅可能保留增強(qiáng)體碳纖維空間排布的方向性和基體碳結(jié)構(gòu)的高織構(gòu)化?；瘜W(xué)氣相滲碳工藝是制備高性能碳基復(fù)合陰極材料的首選方法，該方法制備的基體熱解碳具有結(jié)構(gòu)均勻、完整、致密性好等優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是基體熱解碳結(jié)構(gòu)難以控制。化學(xué)氣相滲碳是一個(gè)復(fù)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(jié)構(gòu)類型，分別是低織構(gòu)的各向同性熱解碳、中織構(gòu)的光滑層結(jié)構(gòu)熱解碳，以及高織構(gòu)的粗糙層結(jié)構(gòu)熱解碳?；w熱解碳的結(jié)構(gòu)主要受碳源氣體在預(yù)制體中的流動(dòng)、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(yù)制體中的流動(dòng)、裂解和沉積過程，獲得高織構(gòu)熱解碳基體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在高取向碳纖維預(yù)制體上獲取高織構(gòu)熱解碳基體的化學(xué)氣相滲碳制備方法。本發(fā)明是采用下述方案實(shí)現(xiàn)的
1)編織高取向碳纖維預(yù)制體，使得碳纖維預(yù)制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為0 15度；
2)將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、N2為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳得到基體碳，控制C3H6 :N2體積比為1. 5 4:1、爐溫為1000 1100 °C、爐壓為 22 30 kPa,累計(jì)化學(xué)氣相滲碳400 500 h后出爐，其間進(jìn)行3 6次中間石墨化處理；
3)置于高溫爐實(shí)施最終石墨化處理，控制爐內(nèi)氣氛為氬氣0.11 0. 13Mpa、爐溫為 2400 2700 °C、保溫時(shí)間為1 2h，隨爐冷卻即得具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料。所述具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料中的碳纖維預(yù)制體表觀密度為 0. 81 g/cm3 1. 2 g/cm3。所述具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料的基體碳為高織構(gòu)熱解碳，其石墨化度為90% 100%ο
所述具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料在制備過程中必須經(jīng)過中間石墨化處理，處理溫度為2000 2200 °C，其他工藝參數(shù)與最終石墨化處理相同。本發(fā)明由于采用上述工藝方法，因而，具有如下優(yōu)點(diǎn)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(fù)合材料的快速滲碳。2、采用22 30 kPa的高爐壓，保證碳基復(fù)合材料的均勻化學(xué)氣相滲碳，避免產(chǎn)生密度不均勻性。3、通過1和2，保證碳基復(fù)合材料中基體熱解碳的高織構(gòu)化。4、采用本發(fā)明，以表觀密度為0.86 g/cm3的碳纖維預(yù)制體，經(jīng)400 500 h化學(xué)氣相滲碳，即可制備表觀密度為1.87 g/cm3的碳基復(fù)合材料，材料軸向抗拉強(qiáng)度為126 Mpa, 熱膨脹系數(shù)為2. 610_6/°C，熱導(dǎo)率為56 ff/m · K、發(fā)射電流密度大于lkA/cm2。綜上所述，本發(fā)明一一種具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料，通過采用高取向碳纖維預(yù)制體，控制碳源氣體在預(yù)制體中的流動(dòng)、裂解和沉積過程，獲得高織構(gòu)熱解碳基體，為具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料的制備提供了一種切實(shí)可行的方法。


圖1為本發(fā)明工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
編織高取向碳纖維預(yù)制體，使得碳纖維預(yù)制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為1度；將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊(duì)為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳得到基體碳，控制C3H6 :N2體積比為1. 5:1、爐溫為1000 1100 °C、爐壓為30 kPa,累計(jì)化學(xué)氣相滲碳500 h后出爐，其間進(jìn)行5次中間石墨化處理；置于高溫爐實(shí)施石墨化處理，控制爐內(nèi)氣氛為氬氣0. llMpa、爐溫為M00°C、保溫時(shí)間為2h，隨爐冷卻即得本發(fā)明的具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料。實(shí)施例2
編織高取向碳纖維預(yù)制體，使得碳纖維預(yù)制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為4度；將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊(duì)為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳得到基體碳，控制C3H6 隊(duì)體積比為2:1、爐溫為1000 1100 °C、爐壓為28 kPa，累計(jì)化學(xué)氣相滲碳500 h后出爐，其間進(jìn)行5次中間石墨化處理；置于高溫爐實(shí)施石墨化處理，控制爐內(nèi)氣氛為氬氣0. llMpa、爐溫為MOO °C、保溫時(shí)間為2h，隨爐冷卻即得本發(fā)明的具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料。實(shí)施例3
編織高取向碳纖維預(yù)制體，使得碳纖維預(yù)制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為8度；將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊(duì)為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳得到基體碳，控制C3H6 隊(duì)體積比為2. 5:1、爐溫為1000 1100 °C、爐壓為26 kPa，累計(jì)化學(xué)氣相滲碳400 h后出爐，其間進(jìn)行5次中間石墨化處理；置于高溫爐實(shí)施石墨化處理，控制爐內(nèi)氣氛為氬氣0. 12Mpa、爐溫為2500 °C、保溫時(shí)間為池，隨爐冷卻即得本發(fā)明的具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料。實(shí)施例4
編織高取向碳纖維預(yù)制體，使得碳纖維預(yù)制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為10度； 將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊(duì)為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳得到基體碳，控制C3H6 隊(duì)體積比為3:1、爐溫為1000 1100 °C、爐壓為24 kPa，累計(jì)化學(xué)氣相滲碳450 h后出爐，其間進(jìn)行4次中間石墨化處理；置于高溫爐實(shí)施石墨化處理，控制爐內(nèi)氣氛為氬氣0. 12Mpa、爐溫為2500 °C、保溫時(shí)間為1. 5h,隨爐冷卻即得本發(fā)明的具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料。實(shí)施例5
編織高取向碳纖維預(yù)制體，使得碳纖維預(yù)制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為15度； 將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊(duì)為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳得到基體碳，控制C3H6 隊(duì)體積比為3. 5:1、爐溫為1000 1100 °C、爐壓為22 kPa，累計(jì)化學(xué)氣相滲碳450 h后出爐，其間進(jìn)行4次中間石墨化處理；置于高溫爐實(shí)施石墨化處理，控制爐內(nèi)氣氛為氬氣0. 12Mpa、爐溫為沈00 °C、保溫時(shí)間為1. 5h,隨爐冷卻即得本發(fā)明的具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料。實(shí)施例6
編織高取向碳纖維預(yù)制體，使得碳纖維預(yù)制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為7度；將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊(duì)為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳得到基體碳，控制C3H6 隊(duì)體積比為4:1、爐溫為1000 1100 °C、爐壓為21 kPa，累計(jì)化學(xué)氣相滲碳400 h后出爐，其間進(jìn)行3次中間石墨化處理；置于高溫爐實(shí)施石墨化處理，控制爐內(nèi)氣氛為氬氣0. 13Mpa、爐溫為沈00 °C、保溫時(shí)間為lh，隨爐冷卻即得本發(fā)明的具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料。實(shí)施例7
編織高取向碳纖維預(yù)制體，使得碳纖維預(yù)制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為5度；將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊(duì)為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳得到基體碳，控制C3H6 隊(duì)體積比為3:1、爐溫為1000 1100 °C、爐壓為21 kPa，累計(jì)化學(xué)氣相滲碳400 h后出爐，其間進(jìn)行3次中間石墨化處理；置于高溫爐實(shí)施石墨化處理，控制爐內(nèi)氣氛為氬氣0.13Mpa、爐溫為2700 °C、保溫時(shí)間為lh，隨爐冷卻即得本發(fā)明的具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料。實(shí)施例8
編織高取向碳纖維預(yù)制體，使得碳纖維預(yù)制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為2度；將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、隊(duì)為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳得到基體碳，控制C3H6 隊(duì)體積比為3:1、爐溫為1000 1100 °C、爐壓為21 kPa，累計(jì)化學(xué)氣相滲碳500 h后出爐，其間進(jìn)行5次中間石墨化處理；置于高溫爐實(shí)施石墨化處理，控制爐內(nèi)氣氛為氬氣0. 12Mpa、爐溫為2700 °C、保溫時(shí)間為2h，隨爐冷卻即得本發(fā)明的具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料。
權(quán)利要求
1.一種具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)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(yù)制體，使得碳纖維預(yù)制體中的碳纖維沿軸向分布，夾角為0 15度；2)將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、N2為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳得到基體碳，控制C3H6 :N2體積比為1. 5 4:1、爐溫為1000 1100 °C、爐壓為 22 30 kPa,累計(jì)化學(xué)氣相滲碳400 500 h后出爐，其間進(jìn)行3 6次中間石墨化處理；3)置于高溫爐實(shí)施最終石墨化處理，控制爐內(nèi)氣氛為氬氣0.11 0. 13Mpa、爐溫為 2400 2700 °C、保溫時(shí)間為1 2h，隨爐冷卻即得具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料的制備方法，其特征在于所述的碳纖維預(yù)制體的表觀密度為0. 81 g/cm3 1. 2 g/cm3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料的制備方法，其特征在于所述基體碳為高織構(gòu)熱解碳，其石墨化度為90% 100%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料的制備方法，其特征在于所述中間石墨化處理的處理溫度為2000 2200 °C，其他工藝參數(shù)與最終石墨化處理相同。
全文摘要
一種具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料的制備方法，首先編織高取向碳纖維預(yù)制體，使得碳纖維預(yù)制體中的碳纖維沿軸向分布；將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，以C3H6為碳源氣、N2為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳得到基體碳，控制C3H6:N2體積比為1.5～4:1、爐溫為1000～1100℃、爐壓為22～30kPa，累計(jì)化學(xué)氣相滲碳400～500h后出爐；置于高溫爐實(shí)施最終石墨化處理，隨爐冷卻即得具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料。本發(fā)明為具有高取向發(fā)射特性的碳基復(fù)合陰極材料的制備提供了一種切實(shí)可行的方法。
文檔編號(hào)C04B35/83GK102515810SQ20111037245
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者周顯光, 夏莉紅, 張小英, 張福勤, 梁世棟 申請(qǐng)人:中南大學(xué)