專利名稱：納米復(fù)合w－氧化物電極材料及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新型電工材料領(lǐng)域，進(jìn)一步涉及納米復(fù)合W-氧化物熱電極材料及其制備工藝。
電弧等離子體技術(shù)廣泛應(yīng)用于切割、噴涂、焊接、熔煉及化工等眾多的工業(yè)領(lǐng)域和實驗室。但是電弧等離子體在各種應(yīng)用中也遇到若干難題，主要是電弧等離子體發(fā)生器的W-氧化物電極材料存在電弧燒蝕和性能不穩(wěn)定等嚴(yán)重問題，它阻礙了電弧等離子體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。
W-氧化物電極材料是電弧等離子體發(fā)生器的關(guān)鍵部件，通常氧化物含量為2％，它們主要是ThO2,CeO2及La2O3，其作用是提高電子發(fā)射能力，降低逸出功，提高載流水平，因其重要作用而被譽為電弧等離子體的“心臟”，為適應(yīng)現(xiàn)代等離子體應(yīng)用新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，各國材料工作者正致力于研究、開發(fā)各種新型電極材料，迄今為止國內(nèi)外的研究主要集中更換氧化物添加劑種類，但收效不大，對于傳統(tǒng)工藝制備的W-氧化物電極材料，電極燒蝕和生能不穩(wěn)定等問題依然存在。
目前，W-氧化物電極材料的生產(chǎn)工藝仍以本世紀(jì)初發(fā)明這種材料時的工藝為基礎(chǔ)，無本質(zhì)性的改進(jìn)，先用粉末冶金法制取金屬坯條，后經(jīng)軋制或(和)旋鍛、拉伸加工成桿料或絲料、再矯直、磨光、切割成電極。無論采用何種摻雜方法，氧化物都是從水溶液中析出摻雜氧化物的鹽類化合物，然后鹽類化合物在一定溫度下分解得到，這個過程基本上是一個接近熱力學(xué)的平衡過程，氧化物的尺寸不可能處于高能量體系的細(xì)小狀態(tài)，因此傳統(tǒng)工藝并未特別控制摻雜氧化物的尺寸。傳統(tǒng)電極的組織結(jié)構(gòu)是氧化物第二相尺寸約幾個微米甚至達(dá)到十幾微米以上分布于W基體中。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，忽略了電極顯微組織對電極的電弧燒蝕及除了性能的影響，突破了僅靠改變氧化物摻雜劑種類的老思路，提供一種納米復(fù)合W-氧化物電極材料及其制備工藝，利用此工藝可以生產(chǎn)具有納米尺度細(xì)小氧化物彌散分布在鎢基體上的顯微組織以及高含量摻雜的納米復(fù)合W-氧化物電極材料，這種電極材料可以大幅度提高電極的起弧性能、電子發(fā)射能力及抗燒蝕性能。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的解決方案是首先，將W粉與氧化物粉按規(guī)定的重量百分比配料，將含有氧化物摻雜劑的W粉在惰性氣體環(huán)境中或汽油介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行高能球磨，所得粉體中氧化物(指ThO2或CeO2或La2O3)的尺寸減小至納米尺度。高能球磨后的納米復(fù)合粉末在壓力機(jī)下壓制成坯條，經(jīng)預(yù)燒結(jié)、氫中垂熔、旋鍛及拉拔等常規(guī)工藝制成各種規(guī)格電極棒材。
利用上述工藝所制備的合金，含有92％-99％的W、1％-8％的氧化物，氧化物包括ThO2或CeO2或La2O3，納米氧化物顆粒均勻彌散分布于W基體中。
由于這種W-氧化物電極中的納米氧化物是均勻彌散分布在W基體上，因此這種顯微組織從固態(tài)還原反應(yīng)速率，擴(kuò)散距離及晶界擴(kuò)散等三方面強(qiáng)化了摻雜劑的擴(kuò)散，從而提高了電極的抗燒蝕性能和電子發(fā)射性能。
本發(fā)明的具體工藝過程是首先，將重量比分別為92％-99％的W粉、1％-8％的ThO2或CeO2或La2O3粉等粉末在真空、惰性氣體環(huán)境或汽油中高能球磨，高能球磨工藝為球料比10-100∶1，相應(yīng)的球磨時間為2-30小時(球料比越大，球磨時間越短)。球磨后粉末的顆粒尺寸為1-2μm，每個粉末顆粒中都為納米氧化物納米粒子均勻彌散分布于鎢基體中，ThO2或CeO2或La2O3的重量比為1％-8％。然后將球磨后納米復(fù)合粉末(可經(jīng)過預(yù)先退火)，經(jīng)400-600Mpa冷壓成長條狀方坯，在1150-1200℃下預(yù)燒結(jié)，其次在2400-3100℃下燒結(jié)，最后經(jīng)旋鍛、軋制、拉拔等常規(guī)工藝成型。通過以上工藝制備出的W-氧化物系列電極材料，為納米氧化物顆粒均勻彌散分布于W基體中。
通過以上工藝制備出的W-氧化物電極材料，其顯微組織是粒徑小于200nm的納米ThO2,CeO2或La2O3彌散分布于W基體上，這種組織結(jié)構(gòu)與同成分傳統(tǒng)電極完全不同。納米復(fù)合W-ThO2陰極材料的最小起弧空載電壓為48V，而傳統(tǒng)電極為60V，降低20％，起弧性能大幅度改善，超過處于國際領(lǐng)先水平的德國電極。起弧過程中納米復(fù)合引起了陰極材料電子發(fā)射機(jī)構(gòu)發(fā)生了全新變化，由分立于ThO2上的陰極斑點演變成連續(xù)、均勻的表面電子發(fā)射。納米復(fù)合W-ThO2陰極在電弧作用下形狀穩(wěn)定，其耐燒蝕性能明顯超過傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的先進(jìn)的德國電極，同時熱電子發(fā)射電流密度由2.3×107A/m2增加到6×107A/m2，提高了約2倍，電子發(fā)射能力大大提高。細(xì)化ThO2添加劑至納米級使電極性能全面改善。
另一方面，氧化物摻雜劑含量越高，W電極的性能越好。但氧化物摻雜劑又引起材料發(fā)脆，從而無法生產(chǎn)加工，因此國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，僅規(guī)定氧化物含量最高為4％。本工藝通過納米復(fù)合，大大改善了電極材料的加工脆性，可制備WT60、WT80(即含ThO26％和8％)等高摻雜氧化物電極材料。
本發(fā)明的第一個實施例是
首先，將重量比分別為98％的W粉、2％的ThO2粉在惰性氣體環(huán)境中高能球磨。采用攪拌式高能球磨機(jī)，球料比為80∶1，轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分，球磨時間為3小時。球磨后粉末的顆粒尺寸為1-2μm，粉末中ThO2納米粒子彌散分布于納米晶銀基體中，ThO2的重量比為2％，然后將球磨后的粉末在400MPa冷壓、在1200℃燒結(jié)成坯，其次在3100℃下燒結(jié)，最后經(jīng)旋段、拉拔壓成型，并在850℃消應(yīng)力退火。制備出的W-ThO2電極材料為納米ThO2粒子均勻分布于W基體中。
本發(fā)明的第二個實施例是首先，將重量比為98％的W粉和2％的CeO2粉在汽油介質(zhì)中高能球磨。采用振動式球磨機(jī)，球料比60∶1，球磨時間8小時，振動頻率200s-1。球磨后粉末的顆粒尺寸為1-2μm，每個粉末顆粒中都為CeO2納米粒子彌散分布于納米晶W基體中，CeO2的重量比約為2％，然后將球磨后的納米復(fù)合粉末在600 MPa冷壓、1150℃預(yù)燒結(jié)，再經(jīng)2800℃燒結(jié)，最后經(jīng)旋鍛、拉拔成型。制備出的W-CeO2電極材料為納米CeO2粒子均勻分布于W基體中。
本發(fā)明的第三個實施例是首先，將重量比分別為98.5％的W粉、1.5％的La2O3粉在真空條件下高能球磨。采用行星式高能球磨機(jī)，球料比為40∶1，轉(zhuǎn)速60轉(zhuǎn)/分，球磨時間為12時。球磨后粉末的顆粒尺寸為1-2μm，粉末中為納米粒子彌散分布于納米晶銀基體中，La2O3的重量比為1.5％。然后將球磨后的粉末在500MPa冷壓、在1150℃燒結(jié)成坯，最后經(jīng)2750℃燒結(jié)，旋鍛、拉拔成材。制備出的W-La2O3電極為納米La2O3粒子均勻分布于W基體中。
權(quán)利要求
1．一種納米復(fù)合W-氧化物電極材料的制備工藝，首先將W粉和氧化物粉進(jìn)行高能球磨，然后經(jīng)預(yù)燒結(jié)、燒結(jié)成坯，最后經(jīng)旋鍛、拉拔并退火等常規(guī)工藝成材，其特征在于將重量比分別為92％-99％的W粉、1％-8％的ThO2或CeO2或La2O3粉等粉末在惰性氣體環(huán)境或汽油中高能球磨，高能球磨工藝為球料比10-100∶1，相應(yīng)的球磨時間為2-30小時，球磨后粉末的顆粒尺寸為1-2μm，然后將球磨后的納米復(fù)合粉末，經(jīng)400-600Mpa冷壓成長條狀方坯，在1150-1200℃預(yù)燒結(jié)，再在2400-3100℃燒結(jié)，最后經(jīng)旋鍛、軋制、拉拔等常規(guī)工藝成型。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合W-氧化物電極材料的制備工藝，其特征在于，首先，將重量比分別為98％的W粉、2％的ThO2粉在惰性氣體環(huán)境中高能球磨，采用攪拌式高能球磨機(jī)，球料比為80∶1，轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分，球磨時間為3小時，球磨后粉末的顆粒尺寸為1-2μm，然后將球磨后的粉末在400MPa冷壓、1200℃燒結(jié)成坯，其次經(jīng)3100℃燒結(jié)，最后經(jīng)旋段、拉拔壓成型，并在850℃消應(yīng)力退火。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合W-氧化物電極材料的制備工藝，其特征在于，首先，將重量比為98％的W粉和2％的CeO2粉在汽油介質(zhì)中高能球磨，采用振動式球磨機(jī)，球料比60∶1，球磨時間8小時，振動頻率200s-1，球磨后粉末的顆粒尺寸為1-2μm，然后將球磨后的納米復(fù)合粉末在600MPa冷壓、1150℃預(yù)燒結(jié)，最后經(jīng)2800℃燒結(jié)，旋鍛、拉拔成型。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合W-氧化物電極材料的制備工藝，其特征在于，將重量比分別為98.5％的W粉、1.5％的La2O3粉、在真空條件下高能球磨。采用行星式高能球磨機(jī)，球料比為40∶1，轉(zhuǎn)速60轉(zhuǎn)/分，球磨時間為12小時，球磨后粉末的顆粒尺寸為1-2μm，然后將球磨后的粉末在500MPa冷壓、1150℃燒結(jié)成坯，最后經(jīng)2750℃燒結(jié)，旋鍛、拉拔成材。
5．一種納米復(fù)合W-氧化物電極材料，其特征在于，合金含有92％-99％的W、1％-8％的氧化物，氧化物包括ThO2或CeO2或La2O3，納米(小于200nm)氧化物顆粒均勻彌散分布于W基體中。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米復(fù)合W-氧化物電極材料，其特征在于，合金內(nèi)含有98％的W、2％的ThO2,W-ThO2電極材料為納米ThO2粒子均勻彌散分布于W基體中。
7．根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米復(fù)合W-氧化物電極材料，其特征在于，合金內(nèi)含有98％的W、2％的CeO2,W-CeO2電極材料為納米CeO2粒子均勻彌散分布于W基體中。
8．根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米復(fù)合W-氧化物電極材料，其特征在于，合金內(nèi)含有98.5％的W、1.5％的La2O3,W-La2O3電極材料為納米La2O3粒子均勻彌散分布于W基體中。
9．根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米復(fù)合W-氧化物電極材料，其特征在于，合金內(nèi)含有94％的W、6％的ThO2,W-ThO2電極材料為納米ThO2粒子均勻彌散分布于W基體中。
10．根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米復(fù)合W-氧化物電極材料，其特征在于，合金內(nèi)含有92％的W、8％的ThO2,W-ThO2電極材料為納米ThO2粒子均勻彌散分布于W基體中。
全文摘要
納米復(fù)合W－氧化物電極材料的制備工藝,首先將W粉和氧化物粉進(jìn)行高能球磨,然后經(jīng)預(yù)燒結(jié)、燒結(jié)成坯,最后經(jīng)旋鍛、拉拔并退火等常規(guī)工藝成材,合金含有92%～99%的W粉、1%～8%的氧化物粉,氧化物包括ThO
文檔編號H05H1/26GK1314775SQ0013803
公開日2001年9月26日 申請日期2000年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月31日
發(fā)明者張暉, 王亞平, 楊志懋, 丁秉鈞, 宋曉平 申請人:西安交通大學(xué)