[发明专利]一种高纯高致密多晶CeB6块体阴极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于稀土硼化物阴极材料技术领域，具体涉及一种高纯高致密多晶CeB₆块体阴极材料的制备方法。

背景技术

CeB₆具有稀土金属六硼化物的优异性能，如熔点高、硬度大、电子逸出功低、挥发性小、抗中毒能力强、耐离子轰击能力强等。和LaB₆一样，CeB₆是理想的热阴极材料，应用在电镜、等离子体源、电子束焊机、电子束曝光机、场发射阵列等设备中。

近年来的研究表明，CeB₆作为热阴极材料，与稀土硼化物中被公认为最佳阴极的LaB₆相比，具有几个更优秀的特性，一是抗碳污染能力强，二是在1800K以下的蒸发率比LaB₆低40％，三是LaB₆电阻率低，在电子枪中只能做间热式阴极，而CeB₆电阻率约为LaB₆电阻率的四倍，能适合做成直热式阴极，而且CeB₆比钨的发射能力强很多，从而有可能取代目前仍广泛使用的直热式钨阴极。因此，CeB₆具有良好的应用前景。

多晶CeB₆块体的传统的制备方法分为两步：先采用熔盐电解法，硼热法，镁热法，碳化硼还原法等方法制备得到CeB₆粉末，然后再采用热压或冷压烧结法在高温下(2000℃以上)、长时间(2～10h)烧结制备多晶块体。整个流程要经历粉末的破碎、酸洗、水洗、烘干和筛分以及其后长时间的高温烧结，工艺繁琐，不易掌握，生产成本较高。而且制备得到的CeB₆块体的纯度往往不高，致密度只有80-92％，且晶粒粗大(几十至几百微米)严重影响了材料的发射性能，限制了CeB₆的应用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的问题，而提供一种晶粒细小、致密度高、纯度高、力学性能和发射性能优异、工艺简单、成本低、烧结温度低，烧结时间短的多晶CeB₆块体阴极材料的制备方法。

本发明通过采用氢直流电弧蒸发冷凝法制备氢化铈(CeH₂)纳米粉末后，采用放电等离子烧结(SPS)技术烧结硼(B)粉和CeH₂纳米粉末，制备多晶CeB₆块体材料，具体步骤如下：

1)将直流电弧蒸发冷凝设备反应室抽真空至1.0×10^-2～3.0×10^-3Pa后，充入体积比为1～4:1，总气压为0.1Mpa，纯度均为99.999％的高纯氢气和氩气，以金属钨为阴极，单质金属铈块为阳极，在反应电流80～150A，电弧电压20～45V，反应时间20～40min的条件下制备氢化铈纳米粉末；

2)将氢化铈纳米粉末和硼粉末在含氧量低于80ppm的预处理室中，按质量比1:0.456研磨混合后，装入石墨模具中；

3)将石墨模具放入SPS烧结设备中进行烧结，烧结工艺为：烧结气氛为2～10Pa的真空或高纯(99.999％)氩气气氛，烧结压力为30～60MPa，烧结温度为1300～1700℃，升温速率为80～200℃/min，保温为3～20min，随炉冷却得到高纯高致密多晶CeB₆块体阴极材料。

其中，步骤1)和2)中所述的氢化铈纳米粉末的粒径为20～60nm；步骤2)中所述的硼粉末的粒径为20～50nm或2～10μm。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

1)本发明采用元素合成法保证了样品的纯度，同时实验系统采用氢直流电弧设备与SPS装置低氧一体化的组合避免了纳米粉末的氧化进一步提高了样品的纯度；

2)本发明采用SPS烧结纳米粉末显著提高烧结体的致密度、降低烧结温度、节省烧结时间；

3)本发明所制备的CeB₆块体样品的晶粒细小，纯度达99.86％，相对密度达99.6％，硬度达1927kg/mm²，抗弯强度达243.7MPa。样品在1520℃温度下发射电流密度达16.98A/cm²，功函数为2.40eV。

附图说明

图1、实施例1制备的多晶CeB₆块体样品的XRD图谱。

图2、实施例1制备的多晶CeB₆块体样品的SEM断口照片。