张晖　丁秉钧

摘　要：制备出了纳米复合W-ThO₂电极材料，这种材料的成分与相组成与传统电极材料相同，但显微组织显著不同。采用真空电弧放电，观察了阴极斑点的分布特征，测定了电极材料的起弧电场强度。通过与传统电极对比，认为大幅度细化氧化物添加剂至纳米尺度，能够显著提高电极材料的电子发射能力，降低逸出功。
关键词：电极材料　电子发射　纳米

Electron Emission of W-Nano-ThO₂ Electrode

Zhang Hui, Ding Bingjun
　　(Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049)

Abstract：A novel W-nano-ThO₂ electrode has been prepared by hot pressing. Through vacuum arc discharge, electron emission sites on the cathode were examined using SEM. Also, the electric field strength of the starting arc was measured. As compared with the traditional electrode, the W-nano-ThO₂ electrode has a higher electron emission ability and a much lower work function.
Keywords：electrode, electron emission, nanoscale▲

1　前　言

　　W-氧化物电极材料，通常氧化物含量为2%质量百分比，种类为ThO₂，及稀土氧化物CeO₂，La₂O₃，Y₂O₃等，广泛应用于惰性气体保护电弧焊和等离子体焊接及切割，喷涂，熔炼，化学合成等众多工业领域及实验室^［1,2］。W-氧化物电极担负发射电子，维持电弧稳定燃烧的作用，同时还承受高能离子轰击和高温烧蚀等苛刻的服役条件。因其重要作用，W-氧化物电极材料被誉为等离子体发生器的“心脏”。
　　易起弧，耐烧蚀及输入能量变化时电弧稳定是发展电极材料追求的主要目标。目前的研究主要集中在：①改变氧化物添加剂种类^［3］，采用低逸出功的稀土金属氧化物替代传统的ThO₂；②改变电极形状以减轻高能离子对阴极斑点的轰击和提高引弧性能^［4］。但是显微组织对电极材料性能的影响的研究尚不多见，本研究采用特殊工艺制备出纳米复合W-ThO₂电极材料，并考察了其电子发射特性。

2　实验方法

　　将工业纯ThO₂(99.5%)进行高能球磨，得到颗粒尺寸小于200nm的ThO₂粉体。实验用W粉平均粒度为0.6μm，纯度99.6%。将上述粉体按含2%ThO₂(质量百分数)进行配比，并通过湿法混粉。混合粉体经热压烧结制备出相对密度为94.5%，尺寸为φ15mm×3mm的块体阴极材料。烧结工艺为： 1 600℃烧结3h，真空度2×10^-2Pa，热压压力为50MPa。对比试样为商用电极，牌号WTh20，成分也为W-2%ThO₂.
　　电极材料与电弧的作用以及起弧电场强度的测定在由TDR-40A单晶炉改造的真空室中完成。将试样表面抛光作阴极，φ3mm的纯W棒为阳极，待真空抽到5×10^-3Pa后，在阴、阳极两端加上8kV的电压，并使阴极以0.2mm／min的速度向阳极运动，记下起弧瞬间两电极的距离，以算出起弧电场强度。每个试样进行100次测试。另外，经一次电弧放电作用的试样用于观察材料中的电子发射位置。试样的物相分析采用日本理学D／max-3AX衍射仪，CuKα辐射，显微组织及微观形貌通过扫描电子显微镜(SEM)观察，结合能谱仪(EDX)进行成分分析。

3　实验结果与讨论

3.1　物相组成与显微组织
　　纳米氧化钍与微晶W粉经1 600℃烧结，所得块体阴极材料的物相为ThO₂和W，未检测到其他物相(如图1a所示)，其物相组成与传统电极材料相同(如图1b所示)。纳米氧化钍与微晶W粉在烧结过程中各自保持稳定，它们之间无明显反应。但由纳米氧化物与微晶W粉热压烧结而成的块体阴极的显微组织与传统电极显著不同。

图1　传统W-2%ThO₂电极(a)和
细晶W-2%纳米ThO₂电极(b)的X射线衍射谱
Fig.1　X-ray diffraction patterns of (a) a commercial
electrode (W-2% ThO₂) and (b) W-2% nano-ThO₂ electrode

　　本研究制备的阴极材料的W晶粒细小、均匀且等轴，晶粒尺寸约为4μm，而在SEM放大2 000倍下未能观察到ThO₂，如图2a所示。由同一视域的Th元素的能谱面分布图2b可见，ThO₂存在且弥散分布。由于ThO₂十分细小以致使SEM难以分辨。另一方面，传统电极的显微组织则是典型的旋锻组织，晶粒形状为长条状，其横截面晶粒尺寸通常约达50μm。图3a中深色的针状弥散体即为ThO₂(结合Th的面分布图3b)，其尺寸和分布很不均匀，主要以几个μm的尺寸存在。可见，这两种电极虽然成分与物相组成相同，但它们的显微组织差别却十分明显。

图2　细晶W-2%纳米ThO₂电极显微组织(a)
及同一视域下的钍元素成分分布(b)
Fig.2　Microsturcture of W-2% nano-ThO₂ electrode(a)
and thoria distribution for the same view (b)

图3　传统W-2%ThO₂电极显微组织(a)及同一视域下的钍元素成分分布(b)
Fig.3　Microstructure of a commercial electrode (W-2% ThO₂) (a) and thoria distribution for the same view(b)

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