一种阴极材料及制备方法、包含其的等离子体炬阴极与流程

本公开涉及等离子体发射器，尤其涉及一种阴极材料及制备方法，包含其的等离子体炬阴极。

背景技术：

1、等离子体炬可以通过电弧产生高温气体，可在氧化、还原或惰性环境下工作，可以为气化、裂解、反应、熔融和冶炼等各种功能的工业炉提供热源。等离子体炬主要是由阳极、阴极、冷却系统三大部分组成，其中阴极材料是等离子体炬的核心部件，它直接与气体接触而且接受正离子或中性粒子的撞击发射电子。阴极材料质量的好坏直接影响到整个等离子炬的使用寿命，其寿命的长短直接影响到炬的经济性问题，其工作稳定性更是关系到整个炬系统的稳定性。

2、当等离子体炬的工作气体为空气时，就称为直流电弧空气等离子体炬，而以过热水蒸汽为工作气体时，就称为水蒸汽直流电弧等离子体炬，它产生的等离子体炬主要由氢和氧组成，这些都是氧化反应时的活性组分。相对于空气等离子体炬(氮气含量高达78％，易产生大量的氮氧化物)，水蒸汽等离子体炬消除了氮源，不会产生氮氧化物，是一种无有害物质产生、零污染、环保节能的清洁热源。同时水蒸汽等离子体炬温度可达5000℃，可以熔融甚至蒸发大多数耐高温的材料。因此从能量焓值、应用环境(高压、深层、高温)等角度出发，未来可以应用于深层钻井、危废处理等行业。

3、但由于工作介质的不同，水蒸汽作为介质一方面给等离子炬相关材料尤其是阴极材料带来很大的挑战，另一方面对系统的要求也更加苛刻。在水介质下开发的阴极材料，如纯锆、纯银、纯铪材料，其阴极的寿命较短，严重制约了等离子体炬的应用，因此亟需开发适用于水蒸汽等离子体炬的阴极材料。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种阴极材料及制备方法，包含其的等离子体炬阴极。

2、第一方面，本公开提供了一种阴极材料，所述阴极材料包括金属铪和六硼化镧(lab6)，所述六硼化镧的含量为所述制备原料总质量的1-8％，例如2％、3％、4％、5％、6％、7％等。

3、本公开在使用金属铪作为阴极材料的基础上，引入了六硼化镧作为掺杂剂，六硼化镧结构中的b原子间具有强烈的共价键，能够形成紧密的空间网格，可以降低阴极材料的电子逸出功，提高阴极材料的发射电子密度，同时可以提高电弧稳定性和高温耐烧蚀性，延长阴极材料的烧蚀寿命。

4、同时，六硼化镧的添加量需要在本公开限定的1-8％范围内，在此范围内时，可以延长阴极材料的烧蚀寿命，若添加量过多或过少，均会导致阴极材料烧蚀寿命的降低。

5、为了进一步增加阴极材料的烧蚀寿命，本公开优选所述六硼化镧的含量为所述制备原料总质量的2-5％，例如2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％等，进一步优选2-3％。

6、本公开发现，当六硼化镧的添加量为2-3％时，最后的阴极材料的烧蚀寿命最高。

7、第二方面，本公开提供了第一方面所述的阴极材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将金属铪和六硼化镧进行湿法球磨，并对球磨后的混合粉末进行烧结，得到所述阴极材料。

8、作为本公开的一种优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：

9、(1)将金属铪和六硼化镧混合后，依次进行湿法球磨、干燥、过筛；

10、(2)对过筛后的混合粉末利用放电等离子体烧结工艺进行烧结，得到所述阴极材料。

11、采用sps放电等离子体烧结法制备的本公开的阴极材料，可以使得到的阴极材料的致密度较高(95％以上)，组织均匀，其电子发射能力强，电弧更明亮，弧形较好且细长，能够在保持良好的燃弧性能的同时，弧形更稳定，进而进一步提高材料的烧蚀寿命。

12、作为本公开的一种优选技术方案，在所述湿法球磨中，球料比为(2-5):1，例如3:1。

13、作为本公开的一种优选技术方案，所述球磨的转速为200-800rpm，例如300rpm、500rpm、600rpm等。

14、作为本公开的一种优选技术方案，所述球磨的时间为30-120min，例如40min、60min、80min、100min等。

15、作为本公开的一种优选技术方案，所述烧结的温度为1100-1300℃，例如1120℃、1150℃、1180℃、1200℃、1220℃、1250℃、1280℃等，压力为30-50mpa，例如35mpa、40mpa、45mpa等。

16、作为本公开的一种优选技术方案，在所述烧结的过程中，当温度与设定的烧结温度差值＞100℃时，所述烧结的升温速率为50-100℃/min，例如60℃/min、70℃/min、80℃/min、90℃/min等，当温度与设定烧结温度差值≤100℃时，所述升温速率为30-50℃/min，例如35℃/min、40℃/min、45℃/min等，当升温至设定烧结温度后，保温5-15min，例如8min、10min、12min等，完成烧结。

17、作为本公开的一种优选技术方案，所述湿法球磨的溶剂为乙醇，所述干燥的方法包括：在真空环境下，先在40-45℃下干燥，然后再在65-70℃下干燥12h以上。

18、所述40-45℃可以是41℃、42℃、43℃、44℃等，所述65-70℃可以是66℃、67℃、68℃、69℃等，所述12h以上可以是13h、15h、18h等。

19、作为本公开的一种具体实施方法，所述制备方法包括如下步骤：

20、(1)称取配方量的六硼化镧，然后分三次称取金属铪粉，使铪粉在称量舟内逐步混合稀释六硼化镧，使两种物料混合；

21、(2)将步骤(1)的混合粉末放入球磨罐中，球料比为3:1，采用两种不同直径的锆珠(质量比1:1)进行球磨，转速为300-600rpm，球磨混粉时间为30-120min，并采用无水乙醇作为溶剂，刚刚没过料和珠子即可，以上实验过程是在氩气手套箱中制备的；

22、(3)球磨后的物料置于真空干燥箱中，首先在低温45℃对其进行烘至酒精挥发完，然后在65℃对其进行干燥12小时以上；

23、(4)干燥完成后取出，采用200目筛网在振筛机上对其进行过筛，保证材料组成的均一性；

24、(5)将过筛后的混合粉末放入石墨模具中，将模具放入sps放电等离子体烧结的腔体中，采用放电等离子烧结的方法进行烧结成型，烧结工艺如下：烧结温度为1100-1200℃，压力为30-50mpa，在低于设定烧结温度100℃之前，升温速率为50～100℃/min，快达到设定烧结温度时(100℃以内，包括100℃)，以30-50℃/min加热到1100-1200℃，保温5-15min，得到所述阴极材料。

25、第三方面，本公开提供了一种等离子体炬阴极，所述等离子体炬阴极包含第一方面所述的阴极材料。

26、第四方面，本公开提供了第三方面所述的等离子体炬阴极的制备方法，所述制备方法包括：将第一方面所述的阴极材料进行机械加工，得到阴极芯，将所述阴极芯固定在基座上，得到所述等离子体炬阴极。

27、作为本公开的一种优选技术方案，所述机械加工的方法包括线切割、车削加工和抛光。

28、本公开提供的阴极材料可以通过简单的机械加工，加工成丝材或棒材，然后将其焊接在基座上，即可得到等离子体炬阴极。

29、第五方面，本公开提供了一种等离子体炬，所述等离子体炬包括第三方面所述的等离子体炬阴极。

30、作为本公开的一种优选技术方案，所述等离子体炬为等离子体水蒸汽炬。

31、本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

32、(1)本公开提供的阴极材料具有较高的发射电子密度、较低的电子逸出功、其电弧稳定性以及高温耐烧蚀性同样较优；

33、(2)当在等离子体炬中应用本公开的阴极材料时，可以极大程度的延长等离子体炬阴极的烧蚀寿命，尤其适用于等离子体水蒸汽炬。