多层结构复合强流电子束收集极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及高功率微波技术，具体涉及多层结构复合强流电子束收集极及其制备方法，为解决现有技术中收集极在高能量电子束轰击下易发生熔融烧蚀、释气，导致高功率微波器件输出功率下降以及运行稳定可靠性降低的不足之处。本发明专利技术的多层结构复合强流电子束收集极为圆筒形结构，圆筒形结构的侧壁沿径向由内向外依次为第一陶瓷涂层、金属基体和第二陶瓷涂层；金属基体的材质为纯钛或钛合金，第一陶瓷涂层为TiB@Ti3SiC2，第二陶瓷涂层为多孔碳化钛陶瓷材质，保持了金属优良的力学性能，又具有陶瓷一般的耐温性能，同时又集成了多孔结构的散热性能，是一种兼顾力学、耐温及散热于一体的多层结构复合强流电子束收集极。多层结构复合强流电子束收集极。多层结构复合强流电子束收集极。

【技术实现步骤摘要】
多层结构复合强流电子束收集极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及高功率微波技术，具体涉及多层结构复合强流电子束收集极及其制备方法。

技术介绍

[0002]收集极是高功率微波器件的关键部件，用于接收与电磁场相互作用后的强流电子束。钛及钛合金因其具有耐温性能好、力学性能好、可加工好等优点，在高功率微波器件中获得广泛应用。然而，随着高功率微波技术的发展，高功率微波器件需要的平均功率越来越高，相应地，收集极将面临更高能量密度电子束的轰击，在高能量电子束轰击下，钛收集极不可避免地发生熔融烧蚀、释气等现象，加剧高功率微波器件等离子体的形成，导致束波耦合效率的下降甚至引发微波脉冲缩短(S.H.Gold,G.S.Nusinovich.Review of high
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power microwave source research[J].Review of Scientific Instruments,1997,68:3945
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3974),最终导致高功率微波器件输出功率下降以及运行稳定可靠性降低(王洪广，柳鹏飞，张建威，李永东，曹亦兵，孙钧.收集极释气对相对论返波管影响的粒子模拟[J]，物理学报.2019，68(18)：185203)。
[0003]耐高温防护涂层可以达到提高材料性能、可靠性和延长使用寿命的目的，钛及钛合金的热防护也不例外。Ti3SiC2既具有陶瓷的优异性能，又具有金属的性能，这是其它热防护陶瓷所不具备的特性。Ti3SiC2的制备方法主要有自蔓延高温合成法、热压法、电火花等离子烧结法和CVD法等，其中CVD法因其可在复杂形状的基体表面沉积及所制备涂层组成可控等优点而得到研究者的广泛青睐(杨钢宜,李国栋,熊翔,王雅雷,王骏.温度对CVD制备Ti
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Si
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C涂层中Ti3SiC2形成规律的影响[J],粉末冶金材料科学与工程,2014,19(5):797
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804)。然而，因CVD制备Ti3SiC2过程中通常涉及H2和HCl，而这两种物质对钛及钛合金的腐蚀极其严重，故无法采用CVD法在钛及钛合金表面制备高性能的Ti3SiC2涂层。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是解决现有技术中收集极在高能量电子束轰击下易发生熔融烧蚀、释气，导致高功率微波器件输出功率下降以及运行稳定可靠性降低的不足之处，而提供一种多层结构复合强流电子束收集极及其制备方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供的技术解决方案如下：
[0006]一种多层结构复合强流电子束收集极，收集极为圆筒形结构，其特殊之处在于：所述圆筒形结构的侧壁沿径向由内向外依次为第一陶瓷涂层、金属基体和第二陶瓷涂层；所述金属基体的材质为纯钛或钛合金；所述第一陶瓷涂层为TiB@Ti3SiC2；所述第二陶瓷涂层为多孔碳化钛陶瓷材质。
[0007]进一步地，所述金属基体的壁厚为1～5mm；
[0008]所述第一陶瓷涂层厚度为0.005～0.02mm；
[0009]所述第二陶瓷涂层厚度为0.05～0.20mm。
[0010]进一步地，所述金属基体为TC4，壁厚1mm，第一陶瓷涂层的厚度为0.005mm，第二陶瓷涂层的厚度为0.05mm；
[0011]或者，所述金属基体为TC4，壁厚5mm，第一陶瓷涂层的厚度为0.02mm，第二陶瓷涂层的厚度为0.2mm。
[0012]同时，本专利技术还提供了一种多层结构复合强流电子束收集极的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0013]S1.按收集极的尺寸制备圆筒形金属基体；所述圆筒形金属基体的壁厚为1～5mm；
[0014]S2.在圆筒形金属基体内表面制备第一陶瓷涂层，在圆筒形金属基体外表面制备第二陶瓷涂层，得到多层结构复合强流电子束收集极。
[0015]进一步地，步骤S2中，所述第一陶瓷涂层和第二陶瓷涂层同时或先后通过原位反应获得。
[0016]进一步地，步骤S2具体为：
[0017]步骤S21：对圆筒形金属基体进行清洗、烘干；
[0018]步骤S22：将圆筒形金属基体和两个圆筒形石墨垫环层叠放入石墨坩埚中，组成复合筒；在石墨坩埚内的放置顺序由下到上依次是圆筒形石墨垫环、圆筒形金属基体、圆筒形石墨垫环；
[0019]步骤S23：将混合均匀的SiC、B4C粉料加入复合筒内；
[0020]步骤S24：将混合均匀的SiC、SiO2粉料加入石墨坩埚与复合筒之间的空隙中；
[0021]步骤S25：将石墨坩埚置于加热炉内，进行原位反应；所述原位反应在Ar气氛或Ar和O2的混合气氛中进行，反应温度为1000～1400℃，反应时间为0.5～10h；所述混合气氛中O2的体积分数在5％以下；
[0022]步骤S26：反应结束后，温度降至室温，去除圆筒形金属基体表面附着的粉料，获得多层结构复合强流电子束收集极。
[0023]进一步地，所述反应温度为1100～1200℃；
[0024]所述反应时间为1～5h。
[0025]所述SiC、B4C混合粉料中，SiC的质量百分数为65％～95％，B4C的质量百分数为5％～35％；
[0026]所述SiC、B4C混合粉料中SiC和B4C的纯度均为分析纯，SiC粉料的粒度为0.05～10微米，B4C粉料的粒度为1～20微米；
[0027]所述SiC、SiO2混合粉料中，SiC的质量百分数为95％～99％，SiO2的质量百分数为1％～5％；
[0028]所述SiC、SiO2混合粉料中SiC和SiO2的纯度均为分析纯，SiC粉料的粒度为0.05～5微米，SiO2粉料的粒度为0.03～0.5微米。
[0029]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0030]1.本专利技术的多层结构复合强流电子束收集极的圆筒形结构包括第一陶瓷涂层、金属基体和第二陶瓷涂层，不仅保持了金属优良的力学性能，又具有陶瓷一般的耐温性能，同时又集成了多孔结构的散热性能，是一种兼顾力学、耐温及散热于一体的多层结构复合强流电子束收集极，有效提高了金属收集极的耐电子束轰击性能和热量在收集极中的传输效率。
[0031]2.本专利技术的收集极的第一陶瓷涂层为TiB@Ti3SiC2的复相材料(TiB掺杂Ti3SiC2)，Ti3SiC2具有金属和陶瓷的双重性能，在高温下既具有优异的耐温性能，又具有很好的塑性，这是普通陶瓷所不具备的，同时，TiB的存在可以有效抑制Ti3SiC2晶粒的长大，使其在电子束重频长时间作用下仍然能够保持纳米晶结构，使得第一陶瓷涂层具有更加优异的耐高温和抗热震性能，且第一陶瓷涂层具有致密的结构，能够有效抑制金属基体的释气，从而抑制了收集极的烧蚀损耗和等离子体的产生。此外，Ti3SiC2具有较高的热导率，热导率为40W/(m
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K)，约为金属基体的2倍，该特性有助于涂层中沉积的电子束能量沿面向(即轴向)快速展开，减少涂层及基体中因电子束能量累积而引起涂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层结构复合强流电子束收集极，收集极为圆筒形结构，其特征在于：所述圆筒形结构的侧壁沿径向由内向外依次为第一陶瓷涂层(1)、金属基体(2)和第二陶瓷涂层(3)；所述金属基体(2)的材质为纯钛或钛合金；所述第一陶瓷涂层(1)为TiB@Ti3SiC2；所述第二陶瓷涂层(3)为多孔碳化钛陶瓷材质。2.根据权利要求1所述的多层结构复合强流电子束收集极，其特征在于：所述金属基体(2)的壁厚为1～5mm；所述第一陶瓷涂层(1)厚度为0.005～0.02mm；所述第二陶瓷涂层(3)厚度为0.05～0.20mm。3.根据权利要求1或2所述的多层结构复合强流电子束收集极，其特征在于：所述金属基体(2)为TC4，壁厚1mm，第一陶瓷涂层(1)的厚度为0.005mm，第二陶瓷涂层(3)的厚度为0.05mm；或者，所述金属基体(2)为TC4，壁厚5mm，第一陶瓷涂层(1)的厚度为0.02mm，第二陶瓷涂层(3)的厚度为0.2mm。4.一种权利要求1
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3所述多层结构复合强流电子束收集极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.按收集极的尺寸制备圆筒形金属基体(2)；所述圆筒形金属基体(2)的壁厚为1～5mm；S2.在圆筒形金属基体(2)内表面制备第一陶瓷涂层(1)，在圆筒形金属基体(2)外表面制备第二陶瓷涂层(3)，得到多层结构复合强流电子束收集极。5.根据权利要求4所述多层结构复合强流电子束收集极的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述第一陶瓷涂层(1)和第二陶瓷涂层(3)同时或先后通过原位反应获得。6.根据权利要求5所述多层结构复...

【专利技术属性】
技术研发人员：程军，刘文元，柯昌凤，霍艳坤，陈昌华，孙钧，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：