【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及多孔钨阴极材料制备，具体是涉及一种基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法。
技术介绍
1、钨是难熔有色金属，其熔点、沸点及密度均是所有金属中最高的，其化学性质也极其稳定，常温下能耐所有酸碱侵蚀，同时，钨优良的热学性能、力学性能也令它具有极为重要的用途。因而，钨被广泛用于当代通讯技术、电子计算机、宇航开发、医药卫生、感光材料、光电材料、能源材料和催化剂材料等，特别是其多孔体或多孔基体材料可广泛用作高电流密度的多孔阴极、离子发动机中冲入电子发射材料的发射体、汞离子火箭发动机中汞气液分离的汽化器、高温流体过滤器及电子封装材料等。
2、钨的极高熔点和显著的密度使得采用传统方法制备多孔材料存在一定难度。目前较为常见的制备技术包括传统烧结法、有机基体浸浆干燥烧结法、和近几年频繁出现的增材制造等。在传统的非致密化烧结法中，烧结温度通常1600℃以上。这种高温烧结过程的缺点是，晶粒粗大，孔隙率低，由颗粒堆积形成的孔隙结构难以控制其形状和结构，且孔隙的尺寸和分布与颗粒的形态和性质密切相关；高温粉末烧结过程需要高温和长时间烧结，这会增加生产成本，并且对设备和能源的需求也比较高。有机基体浸浆干燥烧结法虽然操作简单孔径分布均匀，烧结温度仍然很高，生产效率低下。增材制造在多孔钨制备中能精确控制孔隙结构，适用于复杂形状，但成本高，速度慢，且材料性能可能受限。
3、目前的研究中有一种以nacl作为造孔剂及流延法制备多孔钨的方法，该方法采用nacl作为造孔剂控制孔隙率及孔隙结构，再以流延法克服颗粒间的巨大密度差得到均
4、在多孔钨的制备方法中，烧结温度的降低的代价是引入了较多造孔剂或活化剂，随然得到了效果较好的性能和结构，但也容易造成杂质去除不完全，对材料性能造成影响。为了减少其他物质的添加同时可以降低烧结温度，因此考虑反应烧结法制备多孔钨，少量的金属反应就可以放出大量热量。
技术实现思路
1、为了解决解决在传统粉末烧结中，温度需求达到1600℃以上，必然导致晶粒粗大，烧结体高度致密化，机械性能变弱，孔隙率降低，并且在烧制大尺寸的工件时，需要昂贵的加压设备和模具，以及在活化烧结法制备多孔钨的基础上进行优化，避免加入大量活化剂的现象。本专利技术提出了一种基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，添加低熔点相作为烧结助剂，同时作为粘合剂，具有反应自维持、能耗低、反应物混合充分、速度快、工艺与设备简单、此方法制得的多孔钨孔形貌规则、孔径分布集中、孔隙大小均匀。
2、为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
3、一种基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，由经过氧化的钨粉末与低熔点相粉末经过球磨混合以及烧结致密化制备得到多孔钨阴极材料，所述低熔点相粉末选自金属al、mg、ni、fe、zr、si粉末中的一种。具体步骤如下：
4、步骤1.钨粉预热获得氧化层：
5、将钨粉通过球磨氧化或空气炉加热氧化，在粉末颗粒表面生成一层氧化层；预热温度和时间的不同，得到的钨粉氧化程度也有区别；
6、步骤2.球磨混合制备前驱体粉末：
7、将预氧化后的钨粉、低熔点相粉末混合，球磨均匀得到前驱体粉末；
8、步骤3.冷等静压形成复合块体：
9、将所得前驱体粉末装入不锈钢模具中，采用冷等静压得到复合块体；
10、步骤4.管式炉高温烧结成型：
11、将复合块体放入管式炉中，在氢气气氛中烧结得到多孔钨阴极材料。
12、作为本专利技术的进一步优选技术方案，制备方法中：
13、步骤1采用的钨粉纯度为99.99％以上，粒径为4～9μm。
14、步骤1钨粉空气炉预热氧化参数为：钨粉预热氧化时间为30min，钨粉预热氧化温度为500℃。或者，钨粉球磨氧化参数为：向硬质合金球磨罐中加入钨粉，磨球直径为4mm，球粉比为3:1，装入高性能球磨机中球磨16～24h，球磨转速为300～600rpm，球磨导致温度升高，钨粉被罐内空气氧化。
15、步骤2采用的低熔点相粉末为纯度为99.99％以上的铝粉，粒径为3～7μm，铝粉用量为钨粉质量的0.1％～1％。球磨混合参数为：向硬质合金球磨罐中加入预氧化后的钨粉、铝粉，磨球直径为4mm，球粉比为3:1，装入高性能球磨机中球磨20min，球磨转速为50～100rpm。
16、步骤3冷等静压的参数为：采用直径为1.5cm的不锈钢模具，采用冲床和模组进行压模；在模具壁面上使用碳纸作为润滑层，使压块易于弹出，在常温下使用预压机压成粉末块，压力均匀上升至45mpa并保持5min；所得到的圆柱形粉末压实体直径和高度约为1.5cm，0.7cm。
17、步骤4管式炉氢气气氛无压烧结工艺条件为：真空条件下，从室温下以5℃/min的升温速率升温至600℃，保温20min，然后以10℃/min的速度加热到1100℃，保温1h。
18、本专利技术制备的这种多孔钨阴极材料，其材料孔分布均匀，结构一致，孔隙率为27.1～58.7％，孔径为5～10μm，密度为7.86～13.63g/cm3。
19、本专利技术所提出的这种基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，通过球磨将预氧化后的钨粉、低熔点相粉末(以铝粉为例)混合，铝能够均匀的包裹在粉末的氧化层上，促进氧化还原反应的充分进行，并且，在管式炉烧结过程中，氢气气氛下，多余的氧化钨层也被还原，钨粉的氧化层恰好全部反应，同时，反应产物al2o3正好可以作为后续阴极浸盐处理。氧化还原反应方程式如下：
20、wo3+al＝w+al2o3
21、因钨的烧结温度达到1600℃，这对烧结设备有很大的要求，尤其是加热方式的影响，例如石墨加热，因为钨在过高的烧结温度可能导致钨与c等元素发生反应，影响钨基体的组成和性能，并且1600℃以上的高温烧结过程中会出现密度过高，晶粒变粗等现象。本专利技术通过加入铝实现烧结多孔钨，最终使得烧结能够在较低温下进行，避免了钨在高温下氧化或孔隙率低导致性能无法达到要求等。与传统直接使用钨粉末高温烧结相比，本专利技术制备多孔钨阴极材料的方法具有以下明显的优点：
22、1、加入少量al可以在低温下进行多孔钨的致密化烧结，通过控制钨粉的预热氧化温度和时间，控制钨粉末的表面氧化程度，从而在少量铝的加入就可以使得氧化钨和铝的反应放热达到要求，相比较传统的高温致密化烧结，避免了晶粒粗大而影响到机械性能，同时反应迅速，经济成本更低。
23、2、在球磨的过程中，al作为较软的金属，会包裹在氧化钨颗粒的表面，所以在烧结过程中，还原剂铝作为系统中的点火器，并且表面的al可以在致密化过程中起到粘合剂的作用，因为它容易变形，将钨颗粒固定在一起，粘接的多孔生坯稳定，不会发生局部崩塌，所以形成的孔隙结构会完整的保存下来，并在后续烧本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，由经过氧化的钨粉末与低熔点相粉末经过球磨混合以及烧结致密化制备得到多孔钨阴极材料，所述低熔点相粉末选自金属Al、Mg、Ni、Fe、Zr、Si粉末中的一种。
2.如权利要求1所述的基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，具体步骤如下：
3.如权利要求2所述的基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，步骤1采用的钨粉纯度为99.99％以上，粒径为4～9μm。
4.如权利要求2或3所述的基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，步骤1钨粉空气炉预热氧化参数为：钨粉预热氧化时间为30min，钨粉预热氧化温度为500℃。
5.如权利要求2或3所述的基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，步骤1钨粉球磨氧化参数为：向硬质合金球磨罐中加入钨粉，磨球直径为4mm，球粉比为3:1，装入高性能球磨机中球磨16～24h，球磨转速为300～600rpm。
6.如权利要求2所述的基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材
7.如权利要求6所述的基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，步骤2球磨混合参数为：向硬质合金球磨罐中加入预氧化后的钨粉、铝粉，磨球直径为4mm，球粉比为3:1，装入高性能球磨机中球磨20min，球磨转速为50～100rpm。
8.如权利要求2所述的基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，步骤3冷等静压的参数为：采用直径为1.5cm的不锈钢模具，采用冲床和模组进行压模；在模具壁面上使用碳纸作为润滑层，使压块易于弹出，在常温下使用预压机压成粉末块，压力均匀上升至45Mpa并保持5min。
9.如权利要求2所述的基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，步骤4管式炉氢气气氛无压烧结工艺条件为：真空条件下，从室温下以5℃/min的升温速率升温至600℃，保温20min，然后以10℃/min的速度加热到1100℃，保温1h。
10.如权利要求1～9任一项所述方法制备的多孔钨阴极材料，其特征在于，材料孔分布均匀，结构一致，孔隙率为27.1～58.7％，孔径为5～10μm，密度为7.86～13.63g/cm3。
...【技术特征摘要】
1.一种基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，由经过氧化的钨粉末与低熔点相粉末经过球磨混合以及烧结致密化制备得到多孔钨阴极材料，所述低熔点相粉末选自金属al、mg、ni、fe、zr、si粉末中的一种。
2.如权利要求1所述的基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，具体步骤如下：
3.如权利要求2所述的基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，步骤1采用的钨粉纯度为99.99％以上，粒径为4～9μm。
4.如权利要求2或3所述的基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，步骤1钨粉空气炉预热氧化参数为：钨粉预热氧化时间为30min，钨粉预热氧化温度为500℃。
5.如权利要求2或3所述的基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，步骤1钨粉球磨氧化参数为：向硬质合金球磨罐中加入钨粉，磨球直径为4mm，球粉比为3:1，装入高性能球磨机中球磨16～24h，球磨转速为300～600rpm。
6.如权利要求2所述的基于反应烧结实现低温制备多孔钨阴极材料的方法，其特征在于，步骤2采用的低熔点相粉末为纯度为99.99％以上的铝粉...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴玉程，周宇生，刘家琴，马冰，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：
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