[发明专利]一种场发射微纳钨发射极的制备方法

说明书

一种场发射微纳钨发射极的成形方法，属于粉末冶金技术领域。首先采用一次或者多次气流磨处理改善钨粉的粉末状态，得到细粒度、高分散、窄分布近球形钨粉颗粒，有利于在成形阶段形成更加均匀的开孔结构。其次将处理后的粉末进行一次或者多次的煅烧处理，以消除气流磨过程中产生的内应力。再次将该粉末与粘结剂混合均匀制成喂料，在微注射成形设备上成形所需形状和尺寸的钨坯体，最后经脱脂和烧结制备出具有均匀孔隙的场发射微纳钨发射极。本发明显著优化了原料粉末和微粉末注射成形工艺，制备出的场发射微纳钨发射极杂质含量低、孔隙均匀、晶粒尺寸≤1μm，孔径200～800nm，孔隙率15～35％，开孔孔隙度占总孔隙度的95％以上。

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及了一种场发射微纳钨发射极的成形方法。

背景技术

随着现代小卫星的不断发展，不仅需要姿态和轨道控制，甚至还要有轨道机动能力。为此，必须开发研究与其相应的微推进系统。场发射电推进器是一种新型微牛级电推进系统，具有推力小且大范围精确可调、比冲高、效率高、功耗成本低、结构紧凑、重量轻等特点。而微纳钨发射极是场发射电推进器至关重要的组成部分，可起到存储和输送推进剂的关键作用，影响着推进器的发射性能。推进器要实现微牛级推力和均匀发射性能，则需要发射极的晶粒细小、孔径小和孔隙连通度性好，而这些性能又与原料粉末的形貌、粒度和粒度分布等密切相关，但细粒度粉末团聚严重，粒度分布宽，形状不规则，会导致最终发射极存在大量闭孔、孔径大小和分布不均匀、孔隙形状不佳等状况，这已成为制约推进器发射性能的瓶颈问题。此外，场发射微纳钨发射极形状结构复杂，但金属钨硬度高、脆性大、性能对加工状态敏感，采用传统加工工艺难以制备出所需形状结构和尺寸的微纳钨极。

粉末微注射成形是将现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域的一门近净成形技术，其主要是将金属粉末与粘结剂混炼形成喂料，然后经微注射成形设备注射成形为生坯，最后脱脂和烧结得到所需要的产品。具有可直接制备复杂高尺寸精度、复杂形状的产品且具有性能优异、成品率高、产品一致性好等优点。而气流磨处理可实现对粉末的解团聚、破碎细化、表面整形，提高粉末的松装、振实密度等。中国专利(CN105499574A)公开了一种制备孔隙均匀异型多孔钨制品的方法，所制备的多孔钨制品形状复杂，孔隙结构均匀，孔隙连通度好。但其制备的产品孔径及骨架尺寸较大，分别达到1～3，3～6μm，并且晶粒尺寸过大，而发射极尖端需达到1μm才能实现高效运行。场发射微纳钨发射极尖端锐度对发射极的质量效率和启动电压有很大影响，钝的发射极会导致低质量效率和低比脉冲以及高启动电压，不能用于高效率场发射电推进器。中国专利(CN101623760B)公开了一种将微注射成形技术在钨基合金产品制备上的应用。而该专利的重点是添加合金元素来解决烧结致密化问题并利用利用微注射成形技术来解决微型零件的成形问题，与发射极的制备无关。中国专利(CN102259189A)公开了一种制备多孔阴极基底的方法，但是由于粉末原料未经处理团聚严重且粉末粒度较大，制得的产品孔隙较大且分布不均匀，存在较多闭孔，不适用于发射极的应用。

因此，本发明将微注射成形和气流磨这两项技术相结合开发了一种新型场发射微纳钨发射极制备方法，可制备出孔隙特性优良、组织均匀、形状复杂、尺寸精度高以及产品一致性好的场发射微纳钨发射极，制备的发射极晶粒尺寸≤1μm、孔径200～800nm，能完全符合对发射极的要求。

发明内容

本发明的目的是提供了一种场发射微纳钨发射极的成形方法。

一种场发射微纳钨发射极的成形方法，其特征在于：以钨粉为原料，对其进行一次或多次分散分级处理得到粒度分布窄、近球形的细粒度原料钨粉；再通过粉末微注射成形制备出复杂形状的场发射微纳钨发射极生坯，最后经脱脂、烧结制备出复杂形状的场发射微纳钨发射极零件，具体步骤为：

1、原料粉末为钨粉，纯度大于99.9％，粒度小于1μm；