基本信息
- 项目名称：
- 一种制备高性能等离子体点火用阴极材料的方法
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本实验以提高阴极材料的寿命进而降低成本为出发点，采用SPS法（放电等离子烧结）和熔渗法制备出Ag－W阴极材料、三元复合稀土（La2O3：CeO2：Y2O3＝1：1：3（质量比））—Ag阴极材料，与广泛应用的纯银阴极材料相比，抗烧蚀能力有了较大的提高，从而可以有效地降低成本。
- 详细介绍：
- 等离子点火技术作为替代燃油点火的新型点火技术在全国范围内迅速发展起来。其中等离子发生器阴极材料的性能是影响该项技术的关键。而目前等离子发生器存在着阴极电子发射和耐电弧侵蚀能力不强，寿命较短等问题，从而影响了该技术的应用和发展。 本项目以提高银阴极材料的使用寿命为出发点，从而达到降低等离子点火技术成本的目的。实验采用SPS法（放电等离子烧结）和熔渗法制备出Ag－W阴极材料、三元复合稀土（La2O3：CeO2：Y2O3＝1：1：3（质量比））—Ag阴极材料，并对其进行了力学性能，导电和导热性能等测试，观察和分析了其显微组织结构。 采用SPS法制备的Ag-W阴极材料，材料达到了较高的致密度，组织均匀。 采用SPS法制备Ag-三元稀土氧化物阴极材料，在500℃左右烧结时致密度和硬度均达到最大值，且组织均匀。 采用无压熔渗法制备了W-40Ag阴极材料。制备的W-40Ag阴极材料致密度高，导电导热能力较SPS法制备的Ag-W阴极材料高。观察和分析了W-40Ag阴极材料的显微组织，组织均匀。 最终实验结果表明，本实验阴极材料与广泛应用的纯银阴极材料相比，提高了使用寿命，有效地降低了成本。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 近年来，电弧等离子体被广泛应用于火电站锅炉点火。装置中的关键部分是等离子发生器阴极。当前常用的阴极材料是碳棒和纯银。由于两者性能的局限，阴极工作稳定性差。且寿命仅60小时左右。 作品发明的目的： 寻找能替代碳棒和纯银的阴极材料，通过提高等离子发生器的阴极寿命达到节约成本、提高性能的目的。 作品设计、发明的基本思路： 鉴于单一材料难以满足阴极材料要求，我们考虑使用以银为基底的复合材料，满足阴极材料的使用要求。所用添加元素是钨和稀土金属氧化物（La2O3，CeO2和Y2O3）。 钨具有高的熔点、硬度、良好的抗烧损和导热性能并且价格低廉。稀土金属氧化物作为活性物质，可以降低材料的逸出功，提高热电子发射能力。将钨和稀土加入到阴极材料中，都可以降低成本。 创新点： ①尝试配置不同比例的Ag-W，通过横向比较，得出最佳配料方案。 ②在原阴极材料纯银的基础上，加入稀土氧化物，提高电子发射能力。 技术关键： ①成分及配比。 ②样品制备质量。 主要技术指标： ①每瓦加热功率下的发射电流密度； ②工作寿命； 其他技术指标：稳定性，抗中毒能力，中毒后恢复能力以及外部性能。
科学性、先进性
- 科学性：本研究以延长等离子点火器阴极材料的使用寿命为基本出发点，采用复合材料取代传统的纯银，从两方面对材料的性能进行改进：①提高熔池的表面张力束缚作用，减少银液滴喷溅。采用方案：借助高熔点、高硬度金属钨做骨架。②通过提高阴极电子发射能力，消耗阴极斑点区能量，降低阴极温度，减少阴极熔化。采用方案：在原阴极材料纯银中加入稀土氧化物。 先进性：①制备的Ag-W阴极材料基本物理性能满足阴极材料要求，实验表明，与纯银相比，Ag-W阴极材料电弧亮度增加明显，可在保证原有性能的前提下节约成本。②制备的Ag—稀土氧化物阴极材料电子发射能力增强，抗电弧烧蚀能力比目前的纯银阴极有较大幅度提高，烧蚀速率比约为1/5，即提高了阴极寿命，从而降低成本。 参考文献： [1]刘孙和,刘心宇.在钨电极中添加稀土元素的优化研究.稀有金属与硬质合金, 2003,31(2). [2]徐国富，赵慕岳.稀土在银及合金中的作用.冶金丛刊,1994年第2期.
获奖情况及鉴定结果
- 2008年12月在本校课外学术科技竞赛中荣获一等奖。 2009年6月获首都“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。 2009年6月，通过国家大学生创新性实验计划项目验收，获一等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 产品技术特点和优势：本研究制得的等离子发生器阴极复合材料，为银和三元稀土氧化物（CeO2，La2O3，Y2O3）的组合及以钨为骨架的银钨组合。其电子发射能力强，电弧明亮，弧形稳定细长，阴极抗烧蚀能力较强，寿命较目前普遍使用的纯银有所提高。 使用范围：大型工业煤粉锅炉，大型火电厂的点火 推广前的技术性说明：相同原料配比，不同混粉、烧结质量也会影响产品寿命。要进一步通过实验确定最佳混粉和烧结工艺。 市场分析：纯银阴极头的平均寿命为60h，每个燃烧器一年工作500h阴极头更换费用(每支500元)为500/60*500=0.417万元。600MW机组一般有5—10个数量不等的燃烧器，更换成本约为2万元。提高阴极寿命可以节约成本。 本实验制得的稀土复合材料原基础上寿命提高近5倍，且原料稀土价格低廉，经济效益显著；以钨为骨架的银钨组合材料，在保证原寿命的基础上节约纯银用量，节约成本。
同类课题研究水平概述
- 国内外学者们提高等离子发生器阴极材料性能的思路主要是改变阴极材料的成分和改变制备阴极材料的方法两个方面。 （1）改变阴极材料的成分 a.单元稀土+钨热阴极材料 1)W-Th02：适合用于高电流密度、大功率等离子发生器。缺点是在生产和使用中产生放射性污染，而且W-Th02电极的电弧稳定性和耐久性满足不了日益发展的技术要求。 2)W-CeO2、W-La2O3、W-Y2O3 ：日本，埃及和国内的学者都认为W-La2O3电极具有最突出的使用性能，电子发射本领最高，W-CeO2和W-Th02电极的次之。 b.多元复合稀土+钨热阴极材料 1)二元稀土（CeO2∶Y2O3=1∶3，CeO2∶La2O3=1∶1，La2O3∶Y2O3=1∶3）:对二元稀土钨电极而言，这3种成份的电极性能较为突出，尤其是耐久性方面。 2)三元稀土（CeO2∶La2O3∶Y2O3=1∶1∶3）：这是最佳的三元稀土氧化物比例。此类电极的工作温度最低，发射电子效率最高，端部形状保持得好，综合性能较为突出。 但总体来讲以金属钨为主的阴极材料电子发射能力较纯银阴极材料有明显的降低。 c. 碳棒+纯银阴极材料 优点是碳棒的熔点很高，银和碳棒的导电和导热性能非常好。缺点是高温下银易氧化，熔点较低，不适宜在高温下使用。无论是碳棒还是金属银，电子发射能力较差，导致阴极工作温度高，易发生烧蚀，其平均工作寿命大都在50小时左右。 d.纯银阴极材料 银属于贵金属，是热和电的良好导体。具有高温稳定性、抗化学腐蚀、抗氧化和低膨胀系数等性能。但是纯银价格昂贵，并且熔点较低，电子发射能力较差，作为阴极材料有很大的局限性。 （2）改变制备材料的工艺 纳米复合阴极材料：张晖、陈献峰制备了纳米复合W－ThO2阴极材料，并发现与传统阴极材料相比，纳米复合阴极材料起弧电场强度低而且非常稳定，发射电子能力强，起弧及稳弧性能好，而且电子发射位置分布均匀，看不到明显的电弧灼痕和灼坑。
