一种表面具有金属微柱阵列的电极及其制备方法

摘要

本发明公开了一种表面具有金属微柱阵列的电极及其制备方法。该电极的表面为直径在数十微米到数百微米量级的金属微柱阵列结构。相比于平面电极结构，本发明的电极结构能够在每个金属微柱的顶端增强电场，在高电压的作用下，每个金属微柱均能有效的发射电子；保证了电极发射电子位置的稳定性，有效降低发射电压的分散性。为实现该电极结构的制备，提出了一种结合覆膜‑激光阵列刻蚀‑空间受限电镀的制备方法。首先将金属表面清洗干净，在表面覆上绝缘膜，而后通过激光刻蚀的方式在覆膜的表面刻蚀出阵列圆柱孔，接着通过电镀的方式，将阵列圆柱孔内部电镀上金属，最后通过高温碳化的方式除去多余的绝缘膜，得到表面具有金属微柱阵列的电极。

权利要求

1.一种表面具有金属微柱阵列的电极，其特征在于：包括金属电极基底以及若干根金属微柱；

所有金属微柱均垂直嵌装于金属电极基底上，且在金属电极基底上呈阵列分布；金属微柱直径的取值范围为25μm   200μm，金属微柱的长径比的取值范围为1:1 5:1之间，金属~ ~微柱伸入金属电极基底10μm   50μm；每相邻两根金属微柱之间的间隔为50μm   1000μm。

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2.根据权利要求1所述的表面具有金属微柱阵列的电极，其特征在于：金属微柱采用电镀沉积的方式生长于金属电极基底上。

3.根据权利要求1或2所述的表面具有金属微柱阵列的电极，其特征在于：金属电极基底材料为不锈钢或铜，金属微柱的材料为铜或镍。

4.一种表面具有金属微柱阵列的电极制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1所述的表面具有金属微柱阵列的电极，包括以下步骤：步骤1：将金属电极基底表面清洗干净，并在金属电极基底表面覆上绝缘膜；

步骤2：通过激光刻蚀的方式在覆膜的金属电极基底表面刻蚀出阵列排布的圆柱孔；

步骤3：再次对具有圆柱孔的金属电极基底进行清洗，并通过酸液除去圆柱孔底部由于激光作用产生的氧化膜；

步骤4：在每一个圆柱孔内通过电镀沉积的方式生长出垂直于金属电极基底的金属微柱；

步骤5：最后通过碳化处理除去多余的绝缘膜，得到表面具有阵列结构的电极。

5.根据权利要求4所述的表面具有金属微柱阵列的电极制备方法，其特征在于：所述金属微柱直径的取值范围为25μm   200μm，金属微柱长径比的取值范围为1:1 5:1之间；每相~ ~邻两根金属微柱之间的间隔为50μm   1000μm。

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6.根据权利要求4所述的表面具有金属微柱阵列的电极制备方法，其特征在于：所述步骤2中圆柱孔刻蚀出的深度范围为10μm   50μm；激光器选用紫外激光器。

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7.根据权利要求4所述的表面具有金属微柱阵列的电极制备方法，其特征在于：所述绝缘膜选用透明胶带或聚酰亚胺胶，并通过粘接与金属电极基底结合牢固。

8.根据权利要求4所述的表面具有金属微柱阵列的电极制备方法，其特征在于：步骤3中酸液选用稀硫酸或稀硝酸或盐酸或混合酸液。

9.根据权利要求4所述的表面具有金属微柱阵列的电极制备方法，其特征在于：步骤5中碳化处理的温度取值范围为400℃   800℃，并且碳化处理过程在氩气、氮气、还原性气~氛或真空环境下进行。

10.根据权利要求4所述的表面具有金属微柱阵列的电极制备方法，其特征在于：金属电极基底材料为不锈钢或铜，金属微柱的材料为铜或镍。

说明书

一种表面具有金属微柱阵列的电极及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于高电压气体放电开关领域，涉及到一种表面具有金属微柱阵列的电极及其制备方法。

背景技术

[0002] 在脉冲功率技术领域，一般选用气体开关导通电路形成脉冲，开关的性能决定了脉冲功率的输出特性。但一般的气体开关稳定性较差，放电电压波动较大，这严重影响了脉冲功率装置的脉冲形成与工作稳定性，因而开关技术成为了脉冲功率技术的一大难题。

[0003] 为获得稳定的气体开关，本领域研究人员对气体开关电极材料、电极结构、气体状态、电压种类等多种因素进行了探究，具体内容详见文献一【郭良福，李黎，赖贵友，等.石墨型高能两电极气体开关[J].强激光与粒子束，2010，22(12):3034‑3038.】，文献二【罗维熙，丛培天，孙铁平，等.电极材料对气体开关静态性能的影响[J].强激光与粒子束，2016，28(1):015022‑1‑5.】，以及文献三【葛行军，邓潘，文建春，等.具有碳纤维复合材料电极的场畸变开关研究[J].高电压技术，2006，32(5):48‑50.】。

[0004] 根据以上文献研究发现开关放电过程受电极表面结构影响较大；同时由于放电会不断地烧蚀电极表面，使电极表面结构不断发生变化，变化的电极表面结构导致气体开关稳定性差，放电电压波动较大。

[0005] 为了解决上述问题，一种微槽石墨阴极结构被提出，有效的提升了电极放电的稳定性，降低了放电电压的波动，具体方案详见文献【王刚，张喜波，王俊杰，等.基于Tesla变压器和Blumlein线的低抖动重频脉冲发生器[J].强激光与粒子束，2016，28(4):045005‑1‑5.】。

[0006] 但该结构却存在以下问题：由于石墨材质较脆，数十微米的微槽石墨阴极在放电产生的微爆炸冲击下，表面突起的石墨结构会逐渐脱落颗粒，不断变短，最终失去表面结构，失去稳定放电电压的作用。虽然通过增加长径比可以理论上增加石墨电极寿命，但是由于长径比大的石墨结构更容易断裂，所以目前还无法实际应用。

发明内容

[0007] 为了解决现有电极在使用时，变化的电极表面结构会导致气体开关稳定性差，放电电压波动较大的问题，本专利提出了一种表面具有金属微柱阵列的电极，同时本发明还提供了该电极的制备方法。

[0008] 本发明的具体技术方案如下：

[0009] 提供了一种表面具有金属微柱阵列的电极，包括金属电极基底以及若干根金属微柱；

[0010] 所有金属微柱均垂直嵌装于金属电极基底上，且在金属电极基底上呈阵列分布；

[0011] 金属微柱直径的取值范围为25μm～200μm，金属微柱的长径比的取值范围为1:1～5:1之间；每相邻两根金属微柱之间的间隔为50μm～1000μm。

[0012] 进一步地，上述金属微柱采用电镀沉积的方式生长于金属电极基底上。

[0013] 进一步地，上述金属电极基底材料为不锈钢或铜，金属微柱的材料为铜或镍。

[0014] 同时本发明还提供了一种表面具有金属微柱阵列的电极制备方法，具体包括以下步骤：

[0015] 步骤1：将金属电极基底表面清洗干净，并在金属电极基底表面覆上绝缘膜；

[0016] 步骤2：通过激光刻蚀的方式在覆膜的金属电极基底表面刻蚀出阵列排布的圆柱孔；

[0017] 步骤3：再次对具有圆柱孔的金属电极基底进行清洗，并通过酸液除去圆柱孔底部由于激光作用产生的氧化膜；

[0018] 步骤4：在每一个圆柱孔内通过电镀沉积的方式生长出垂直于金属电极基底的金属微柱；

[0019] 步骤5：最后通过碳化处理除去多余的绝缘膜，得到表面具有阵列结构的电极。

[0020] 进一步地，上述金属微柱直径的取值范围为25μm～200μm，金属微柱长径比的取值范围为1:1～5:1之间；每相邻两根金属微柱之间的间隔为50μm～1000μm。

[0021] 进一步地，上述步骤2中圆柱孔刻蚀出的深度范围为10μm～50μm；激光器选用紫外激光器。

[0022] 进一步地，上述绝缘膜选用透明胶带或聚酰亚胺胶，并通过粘接与金属电极基底结合牢固。

[0023] 进一步地，上述步骤3中酸液选用稀硫酸或稀硝酸或盐酸或混合酸液。

[0024] 进一步地，上述步骤5中碳化处理的温度取值范围为400℃～800℃，并且碳化处理过程在氩气、氮气、还原性气氛或真空环境下进行。

[0025] 进一步地，上述金属电极基底材料为不锈钢或铜，金属微柱的材料为铜或镍。

[0026] 本发明的有益效果如下：

[0027] 1、本发明提出的金属微柱阵列电极结构，应用于气体开关时，由于放电位置均在金属微柱的顶端，且放电过程对金属电极表面形貌基本无影响(放电前后均为金属微柱阵列结构)，因而放电电压稳定，放电波动性小。

[0028] 2、本发明中金属微柱通过电镀获取，对金属电极基底材质无特殊要求，一般能够导电的材料表面均可制备金属微柱阵列；同时激光在金属电极基底上刻蚀出一定深度的圆柱孔，金属微柱自圆柱孔内部沉积成型，嵌入金属电极基底，结合良好，在使用过程中稳定性强。

[0029] 3、本发明提出的通过一般透明胶带或聚酰亚胺绝缘胶带覆膜，易于获取，方法简单，技术门槛低；通过气氛碳化除去绝缘膜的方法不会损伤金属微柱阵列结构，同时金属微柱阵列在高温碳化的环境中进行了热处理，稳定性进一步提高。

[0030] 4、电极表面的金属微柱阵列材质为金属，韧性高，在放电过程中，不会产生崩裂，质量损失小，寿命高。

附图说明

[0031] 图1为本发明电极结构的示意图；

[0032] 图2为本发明电极结构放电过程示意图；

[0033] 图3为本发明电极的制备流程图；

[0034] 图4为电极制备过程中表面结构变化电镜照片。

[0035] 附图标记如下：

[0036] 1‑金属电极基底、2‑金属微柱。

具体实施方式

[0037] 本发明提出了一种具有表面阵列结构的电极，如图1所示，该包括金属电极基底1以及若干根金属微柱2；所有金属微柱2均垂直嵌装于金属电极基底1上，且在金属电极基底1上呈阵列分布；金属微柱2的直径为25μm～200μm，金属微柱2的长径比为1:1～5:1之间，每相邻两根金属微柱之间的间隔为50μm～1000μm。

[0038] 如图2所示，在高电压作用下，该电极结构能够在每个金属微柱的顶端增强电场，达到一定的电压阈值后，每个金属微柱均能有效的发射电子。发射电子位置稳定在每个金属微柱的顶端，随着发射的进行，金属电极基底表面的呈阵列分布的金属微柱结构基本不发生变化，因而能够保持发射电压的稳定性，降低发射电压的分散性，同时由于金属韧性较高，能够在放电过程中保持稳定的结构，具有较高的电极寿命。

[0039] 为实现该电极结构的制备，本发明还提出了一种结合覆膜、激光阵列刻蚀、空间受限电镀的制备方法。如图2所示，该制备流程如下：

[0040] 步骤1：将金属电极基底表面清洗干净，并在金属电极基底表面覆上绝缘膜；

[0041] 在执行该步骤时：金属电极基底材料可为不锈钢、铜等常见金属电极材料；绝缘膜可选用透明胶带、聚酰亚胺胶带等不导电的胶带，通过胶液的粘接与金属电极基底结合牢固；

[0042] 步骤2：通过激光刻蚀的方式在覆膜的金属电极基底表面刻蚀出阵列排布圆柱孔；

[0043] 在进行该步骤时：激光刻蚀圆柱孔的深度应超出绝缘膜厚度10μm～50μm，确保刻穿绝缘膜，保证镀液能够接触到金属电极基底表面，确保电镀产生的金属微柱与金属基底牢固结合；

[0044] 步骤3：将具有圆柱孔的金属电极基底进行清洗，并通过酸液除去除去圆柱孔底部由于激光作用产生的氧化膜；

[0045] 在该步骤中利用酸液除去激光作用产生的氧化膜时，可根据金属的类别选择稀硫酸、稀硝酸、盐酸或混合酸液，使基底金属暴露，为下一电镀工序提供有利实施条件；

[0046] 步骤4：在每一个圆柱孔内通过电镀沉积的方式生长出垂直于金属电极基底的金属微柱；金属微柱的材料为铜、镍等易电镀的金属材料；

[0047] 步骤5：最后通过碳化处理除去多余的绝缘膜，得到表面具有阵列结构的电极。

[0048] 在在该步骤中，碳化处理的温度根据绝缘膜材质选择400℃～800℃，碳化应在氩气、氮气、还原性气氛或真空下进行，防止电镀制备的金属被氧化。

[0049] 为了进一步地表明本发明电极结构的性能，以下通过两组具体实例的对比来进行更加详细的说明。

[0050] 实施例1

[0051] 1、选择铜为金属电极基底材料，加工成直径25mm、厚度8mm布鲁斯形状电极，并分别在丙酮、乙醇与去离子水中清洗干净，在烘箱中80℃烘干2h；

[0052] 2、在清洗干净的金属电极基底表面贴上厚度为100μm的聚乙烯透明绝缘胶带，并使绝缘胶带与金属电极基底紧密贴合；

[0053] 3、利用波长为355nm的紫外激光器在绝缘胶带表面刻蚀出直径160μm，深度120μm、周期400μm的圆柱孔阵列(此处所述周期为相邻两个圆柱孔之间的间隔)，该圆柱孔阵列中的每个圆柱孔均贯穿绝缘胶带，圆柱孔位于金属电极基底内深度为20μm；

[0054] 4、将激光刻蚀完毕的覆膜电极在质量分数为5％的稀硝酸溶液中超声浸泡5mins，除去每个圆柱孔底部的由于激光作用而产生的氧化膜；

[0055] 5、在酸性镀铜液(CuSO4 180g/L，NaCl 0.1g/L,H2SO4 60g/L)中，以金属铜为阳极，2
覆膜铜电极为阴极，电流密度为3A/dm ，室温25℃电镀3h，得到呈阵列排布的若干金属微柱；

[0056] 6、将电镀完毕的具有阵列金属微柱结构的电极，利用去离子水清洗干净，在气氛炉中氩气保护下500℃进行3h热解除去表面的残余的绝缘胶带；

[0057] 7、将热解处理完毕的阵列金属微柱结构的电极利用丙酮、去离子水清洗干净80℃烘干2h，得到金属微柱直径为160微米，长度为100μm，每相邻两个金属微柱之间间隔为400μm的如图4所示的电极，记为阵列电极A。

[0058] 实施例2

[0059] 1、选择304不锈钢为金属电极基底材料，加工成直径25mm、厚度8mm布鲁斯形状电极，分别在丙酮、乙醇与去离子水中清洗干净，在烘箱中80℃烘干2h；

[0060] 2、在清洗干净的金属电极基底表面贴上厚度为200μm的聚酰亚胺绝缘胶带，并使绝缘胶带与金属电极基底紧密贴合；

[0061] 3、利用波长为355nm的紫外激光器在聚酰亚胺胶带表面刻蚀出直径100μm，深度240μm、周期300μm的圆柱孔阵列，该圆柱孔阵列中的每个圆柱孔均贯穿绝缘胶带，圆柱孔位于金属电极基底内的深度为40μm；

[0062] 4、将激光刻蚀完毕的覆膜电极在质量分数为10％的稀硫酸溶液中超声浸泡5mins，除去每个圆柱孔底部的由于激光作用而产生的氧化膜；

[0063] 5、在Watts镀镍液(NiSO4 250g/L，NiCl2 40g/L,硼酸35g/L，十二烷基硫酸钠2
0.05g/L，PH3.8～4.4)中，以金属镍为阳极，覆膜不锈钢电极为阴极，电流密度为1.5A/dm ，温度60℃电镀6h，得到呈阵列排布的若干金属微柱；

[0064] 6、将电镀完毕的具有阵列金属微柱结构的电极，利用去离子水清洗干净，在气氛炉中氩气保护下700℃进行5h热解除热解除去表面的残余的绝缘胶带；

[0065] 7、将热解处理完毕的阵列金属微柱结构的电极利用丙酮、去离子水清洗干净80℃烘干2h，得到表面金属微柱直径为100微米，长度200μm，每相邻两个金属微柱之间间隔为300μm的电极，记为阵列电极B。

[0066] 将上述两种电极分别在电极测试系统中进行放电电压稳定性测试，在相同的开关形式、加载电压、0.6MPa高纯氮气条件下，不锈钢作为阳极，阴极分别采用铜电极或上述实施例1的阵列电极A或不锈钢电极或上述实施例2的阵列电极B。得到的击穿电压与电压相对标准偏差如表1所示，可以看出具有阵列结构的电极击穿电压分散性明显减小，采用该电极作为气体开关阴极可大幅提升脉冲功率装置的运行稳定性。

[0067] 表1：电极击穿电压与相对标准偏差测试结果

[0068] 电极类型 击穿电压(kV) 相对标准偏差铜电极 100 4％
阵列电极A 80 0.6％
不锈钢电极 95 6％
阵列电极B 76 0.8％
。