碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)是最有前景的场发射阴极材料之一。但CNTs薄膜阴极在劣真空、高电场等恶劣工况下,CNTs薄膜的抗损伤能力、可重复性及稳定性受到负面影响;以及薄膜在与器件的组装过程中易受到人为损伤,这都限制了碳纳米管阴极的实际应用。为此,本论文提出碳纳米管块体阴极的方案来解决这些问题,从碳纳米管块体阴极的制备与优化、阴极表面处理等方面开展了一系列工作,得出了一些有用的研究成果。系统研究了制备方法(球磨和超声搅拌)、烧结温度、CNTs含量对碳纳米管块体阴极场发射性能的影响,并在此基础上研究了阴极性能优化工艺。研究表明:1)在干法球磨下,700℃烧结、CNTs为10%时阴极的场发射性能最佳;2)在湿法球磨下,800℃烧结、CNTs含量为15%时阴极的场发射性能最佳;3)CNTs的缺陷发射以及屏蔽效应共同影响阴极的场发射能力;4)羧基化的CNTs,以及硝酸腐蚀阴极表面,均能提升阴极的场发射性能;5)超声分散方法在800℃烧结、CNTs含量为10%时阴极的场发射性能与球磨制备的阴极的最佳性能相当。对比了碳纳米管块体阴极和薄膜阴极的场发射性能。碳纳米管薄膜阴极初次开启电场为0.23 V/μm、最大发射电流密度为5613.76μA/cm~2,但之后这些性能都开始急剧下降,第二次测试的最大发射电流密度与块体阴极的最大发射电流密度相当,至第七次时,开启电场增加到1.73 V/μm,最大发射电流密度降至38.52μA/cm~2,仅为块体阴极的十分之一左右。而碳纳米管块体阴极的开启电场和最大发射电流密度在多次连续测试中均保持高度的可重复性:开启电场(2.20±0.07V/μm)和最大发射电流密度(340±50μA/cm~2)。因此,从器件实际应用角度看,碳纳米管块体阴极的综合性能显著好于薄膜阴极。其原因可能在于块体阴极具有一定的自我恢复能力。