kakodopripraviti visokoizvedba lantanov heksaborid (LaB6)
Lantanov heksaborid (LaB6) je trenutno priznan kot najboljši material za vročo katodo, ki ima značilnosti nizkega uhajanja, dobre kemične stabilnosti, visokega tališča, visoke trdote, visoke gostote emisijskega toka in močne odpornosti na ionsko bombardiranje. LaB6 ima široko paleto aplikacij in je bil uspešno uporabljen na več kot 20 vojaških in visokotehnoloških področjih, kot so radar, vesoljska industrija, elektronska industrija itd. Njegova serija izdelkov vključuje predvsem tri vrste prahu, polikristal in monokristal. Zlasti monokristal lantanovega heksaborida je najboljši material za izdelavo visokozmogljivih elektronskih cevi, magnetronov, elektronskih žarkov, ionskih žarkov in pospeševalne katode.
Fizikalne in kemijske lastnosti LaB6
Razpon obstoja lantanovega heksaborida: vsebuje B 85.8-88 (wt)%, je vijoličen, če vsebuje B 85,8%, in moder, če vsebuje B 88%; Gostota je 4,7 g/cm3, odpornost na sobno temperaturo je 15-27 μΩ, trdota po Vickersu je 27,7 GPa, delovna funkcija je 2,66 eV, emisijska konstanta je 29A/cm2·K2.
Lantanov heksaborid je neprozoren in je videti svetlo rdečkasto vijoličen, ko je suh, in globoko rdeč, ko je vlažen. Lantanov heksaborid ima kubično kristalno strukturo, kot je prikazano na sliki 1:
Slika 1 Kristalna struktura LaB6
Iz slike je razvidno, da so strukturne značilnosti kubičnega kristala lantanovega heksaborida:
1) Atomi bora tvorijo tridimenzionalno kubično okvirno strukturo, ki vsebuje večje atome lantana.
2) Ogrodje bora je oktaeder in na vsakem oglišču kocke je oktaeder, ki ga tvori ogrodje atoma bora, ki sta med seboj povezana s svojimi oglišči.
3) Vsak atom bora meji na pet atomov bora, štiri znotraj njegovega oktaedra in enega v smeri ene od glavnih osi kocke, kar daje homopolarno mrežno strukturo s koordinacijskim številom 5.
4) Vsak atom bora ima tri valenčne elektrone, dodeljene petim vezem.
5) Koordinacijsko število kovinskih atomov, ujetih v borovo mrežo, je 24.
Kristalna struktura boridov določa njihove edinstvene lastnosti:
1) Zaradi močne vezne sile med atomi bora (konstanta rešetke 4,145 Å) je ognjevarna spojina s tališčem 2210 stopinj.
2) Pri sobni temperaturi reagira samo z dušikovo kislino in aqua regia; Kisik je podvržen oksidaciji samo pri 600-700 stopinji.
3) V določenem temperaturnem območju se koeficient razteznosti približa ničli.
4) Dobra stabilnost na zraku in površinsko kontaminacijo med uporabo je mogoče obnoviti z vakuumsko toplotno obdelavo.
5) Dobra odpornost na ionsko bombardiranje in sposobnost prenesti visoko poljsko jakost.
6) Zaradi odsotnosti valenčnih vezi med kovinskimi atomi in atomi bora so valenčni elektroni kovinskih atomov prosti. Boridi imajo torej visoko prevodnost, odpornost lantanovega heksaborida pa je približno enaka odpornosti kovinskega svinca. Temperaturni koeficient njegove upornosti je pozitiven.
7) Če heksaboridom dovolimo, da pridejo v stik z ognjevzdržnimi kovinami pri visokih temperaturah, bo bor difundiral v rešetko kovine in s kovino tvoril intersticijske zlitine bora. Istočasno se bo borov okvir zrušil, kar bo omogočilo izhlapevanje kovinskih atomov.
8) Ko se boridi segrejejo na določeno temperaturo, kovinski atomi na površini kristala izhlapijo, vendar se takoj napolnijo s kovinskimi atomi, ki difundirajo iz notranjosti rešetke, medtem ko ogrodje bora ostane nespremenjeno, kar zmanjšuje izgubo površinsko aktivnih snovi .
Zaradi zgornjih prednosti je bil LaB6 izdelan v elektronskih komponentah v sodobni tehnologiji in se pogosto uporablja v civilni in obrambni industriji:
1) Elektronske emisijske katode. Zaradi nizkega uhajanja elektronov je mogoče pridobiti katodne materiale z najvišjim emisijskim tokom pri srednjih temperaturah, zlasti visokokakovostne monokristale, ki so idealni materiali za visoko zmogljive elektronske emisijske katode.
2) Točkovni svetlobni vir visoke svetlosti.
3) Sistemske komponente visoke stabilnosti in dolge življenjske dobe. Njegova odlična celovita zmogljivost omogoča njegovo uporabo v različnih sistemih z elektronskim žarkom, kot so graviranje z elektronskim žarkom, viri toplote z elektronskim žarkom, pištole za varjenje z elektronskim žarkom in pospeševalniki, za proizvodnjo visoko zmogljivih komponent na inženirskih področjih.
Priprava na LaB6
(1) Priprava praška LaB6
1) Metoda sinteze čistih elementov
Ta metoda je začetna raziskovalna metoda, primerna za raziskave faznega diagrama, ni pa primerna za praktične proizvodne aplikacije.
2) Sinteza spojin, ki vsebujejo La, in spojin, ki vsebujejo B
Ta metoda je industrijska metoda in obstajajo različne reakcijske formule glede na reaktante:
3) Redukcija spojin La s čistim B
(2) Priprava polikristalnih materialov LaB6
Polikristali LaB6 so običajno pripravljeni s sintranjem in vročim stiskanjem. V situacijah, kjer ima vzorec praznine, se lahko sintranje uporabi samo za pripravo. Sintranje z uporabo LaB6, ZrB2 ali ZrC lončkov. Da bi preprečili infiltracijo B, ni priporočljivo uporabljati B lončka. Običajno se sintra v atmosferi vodika. Tlak vročega stiskanja je 400 atm, temperatura je 2000 stopinj, čas zadrževanja pa 1-2 ur. Velikost gredice je običajno φ 100 mm × 30 mm.
(3) Priprava monokristala LaB6
Trenutno lahko metode priprave monokristalov povzamemo kot metodo conskega taljenja, metodo s topilom in metodo plinske faze.
1) Metoda conskega taljenja
Metoda conskega taljenja je najpogosteje uporabljena metoda za pripravo monokristalov borida redkih zemelj. Pri uporabiLaB6kot material za elektrodno sevanje je treba pripraviti monokristale z visoko čistostjo. Čeprav ni bila ugotovljena natančna povezava med nečistočami v LaB6 in njegovo življenjsko dobo kot oddajne elektrode, večja je čistostLaB6, daljša je njegova življenjska doba. Zato je priprava materialov visoke čistosti zelo smiselna.
Za pripravo visoke čistostiLaB6, se na splošno uporablja metoda taljenja v coni suspenzije brez lončka, zaščitena z inertnim plinom, kot je prikazano na sliki 2:
Slika 2 Shematski diagram conske metode taljenja
Metode conskega taljenja za pripravo monokristalov vključujejo radiofrekvenčno segrevanje, ogrevanje z elektronskim žarkom, ogrevanje z oblokom in ogrevanje z laserskim žarkom.
2) Metoda s topilom
Solventna metoda je tudi osnovna metoda za pripravo monokristalaLaB6, ki vključuje dve metodi: metodo topil z aluminijem in metodo topil redkih zemelj. Oba sta podobna, le da slednji uporablja elemente redkih zemelj namesto aluminija, kot je prikazano na spodnjem diagramu:
Slika 3 Shematski diagram metode s topilom aluminija
3) Metoda obarjanja v plinski fazi (CVD).
Metoda obarjanja v plinski fazi je postopek uporabe plinastih snovi za kemične reakcije na površini trdnega materiala, pri čemer nastanejo trdne usedline. Shematski diagram njegovega principa je naslednji:
Slika 4 Shematski diagram principa CVD metode
Formule kemijske reakcije, ki se uporabljajo za proizvodnjo LaB6 z metodo CVD, vključujejo:
HNRE je uspešno izdelal prašek LaB6 s čistostjo več kot 99 % s predobdelavo surovin borovega karbida in kemičnim čiščenjem praška LaB6. Razvili smo tudi postopek sintranja z dvojnim gradientom temperature in tlaka za polikristalne bloke LaB6 z visoko gostoto. Gostota polikristalne mase je več kot 95 %, velikost zrn pa približno 20 μm. Naša votla katoda iz polikristalnega bloka LaB6 ima značilnosti visoke gostote emisijskega toka, dolgo življenjsko dobo katode in stabilno delovanje katode.