钡钨阴极的多孔钨基体粉末注射成形工艺及发射性能研究

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真空电子器件在广播、雷达、通信等领域有着广泛的应用,钡钨阴极作为真空电子器件的核心部件,其性能(电子发射均匀性、发射电流密度、工作寿命等)对真空电子器件的性能有直接影响。随着真空电子器件朝着大功率、高频率、长寿命等方向的发展,对钡钨阴极的性能也提出了更高的要求。钨粉特性和多孔钨基体的制备技术是影响多孔钨基体组织结构的主要因素。因此,开展多孔钨基体的粉末近净成形技术研究,具有重要的学术和工程应用价值。本文采用金属粉末注射成形(MIM)技术制备钡钨阴极多孔钨基体,研究钨粉粒形对MIM喂料流变行为、多孔钨基体孔隙特性的影响以及钡钨阴极的发射性能,具体内容如下:(1)选用商品还原钨粉(GW)、窄粒度钨粉(NPW)和球形钨粉(SW)三种粒度接近而不同粒形和分散度的钨粉为原料,运用图像分析技术定量表征了粉末的粒度、粒形和分散度。图像法得到的瓦德尔球形度、形状因子、圆润度、粗糙度、赘生物指数和凹度等特征参数可定量表征钨粉的粉末粒形和分散度。SW与NPW粉末粒度基本一致,但SW具有更好的球形度、表面光滑度以及分散度,在数值上体现为SW的球形度比GW和NPW高约10%~15%;采用相同的有机粘结剂,SW、NPW和GW喂料的粉末装载量分别是64%、59%和47%,且SW喂料表现出更优异的流动性能,在170℃时,其流动行为指数是0.102和在剪切速率为30-1s时,其粘流激活能为27.53k J/mol,比同温度和相同剪切速率下NPW喂料更低。粘结剂与粉末颗粒以及颗粒与颗粒之间的相互作用特性是影响钨MIM喂料流变性能的主要因素。(2)GW、NPW和SW粉末经混料密炼、注射、脱脂和烧结后制备得到孔隙度20%~25%的多孔钨基体,开孔孔隙度均大于20%,均满足高性能钡钨阴极对多孔钨基体孔隙率的要求。但是粉末团聚导致PGW和PNPW多孔钨基体中存在一定量的封闭孔隙。改善钨粉的颗粒形状,减少钨粉团聚,PSW多孔钨基体孔隙结构均匀性最佳,其平均孔隙度、平均开孔孔隙度、平均孔径分别为24.0%、23.9%和1.17μm。(3)PSW多孔钨基体开孔率高,浸盐效果最好,但是其相应钡钨阴极CSW的偏离点电流发射密度却最低,仅为2.26A/cm~2(工作温度1000℃),低于钡钨阴极CNPW的2.54A/cm~2。可能的原因是球形钨粉比表面积相对较小,W与活性钡盐的接触面积减少,相同工作温度下生成自由钡原子的还原反应速率降低,进而导致发射性能反而降低。自由钡与W和O元素结合形成三元合金相并以颗粒状析出分布在电子发射后的阴极表面。
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