Jaknapřipravit vysokovýkon lhexaborid anthanu (LaB6)
Hexaborid lanthanu (LaB6) je v současnosti uznáván jako nejlepší materiál horké katody, který se vyznačuje nízkou únikovou prací, dobrou chemickou stabilitou, vysokým bodem tání, vysokou tvrdostí, vysokou hustotou emisního proudu a silnou odolností vůči ostřelování ionty. LaB6 má širokou škálu aplikací a úspěšně se používá ve více než 20 vojenských a high-tech oborech, jako je radar, letecký průmysl, elektronický průmysl atd. Její řada produktů zahrnuje především tři druhy prášku, polykrystalu a monokrystalu. Zejména monokrystal hexaboridu lanthanu je nejlepším materiálem pro výrobu vysoce výkonné elektronové trubice, magnetronu, elektronového paprsku, iontového paprsku a katody urychlovače.
Fyzikální a chemické vlastnosti LaB6
Rozsah existence hexaboridu lanthanitého: obsahuje B 85.8-88 (hmotn.) %, je fialový, pokud obsahuje B 85,8 %, a modrý, pokud obsahuje B 88 %; Hustota je 4,7g/cm3, odolnost při pokojové teplotě je 15-27 μΩ, tvrdost podle Vickerse je 27,7 GPa, pracovní funkce je 2,66 eV, emisní konstanta je 29A/cm2·K2.
Hexaborid lanthanu je neprůhledný a za sucha se jeví jako světle načervenalý purpur a za vlhka tmavě červený. Hexaborid lanthanu má kubickou krystalickou strukturu, jak je znázorněno na obrázku 1:
Obrázek 1 Krystalová struktura LaB6
Z obrázku je vidět, že strukturní charakteristiky kubického krystalu hexaboridu lanthanu jsou:
1) Atomy boru tvoří trojrozměrnou krychlovou kostrovou strukturu obsahující větší atomy lanthanu.
2) Bórová kostra je osmistěn a na každém vrcholu krychle je osmistěn tvořený atomovou kostrou bóru, které jsou navzájem spojeny svými vrcholy.
3) Každý atom boru sousedí s pěti atomy boru, čtyřmi v jeho oktaedru a jedním ve směru jedné z hlavních os krychle, čímž vzniká homopolární mřížková struktura s koordinačním číslem 5.
4) Každý atom boru má tři valenční elektrony přiřazené k pěti vazbám.
5) Koordinační počet atomů kovu zachycených v borové mřížce je 24.
Krystalová struktura boridů určuje jejich jedinečné vlastnosti:
1) Vzhledem k silné vazebné síle mezi atomy boru (mřížková konstanta 4,145 Å) je to žáruvzdorná sloučenina s bodem tání 2210 stupňů.
2)Při pokojové teplotě reaguje pouze s kyselinou dusičnou a aqua regia; Kyslík podléhá oxidaci pouze při 600-700 stupni.
3) V určitém teplotním rozmezí se koeficient roztažnosti blíží nule.
4) Dobrá stabilita na vzduchu a povrchová kontaminace během používání může být obnovena vakuovým tepelným zpracováním.
5) Dobrá odolnost proti ostřelování ionty a schopnost odolat vysoké intenzitě pole.
6) Vzhledem k absenci valenčních vazeb mezi atomy kovu a atomy boru jsou valenční elektrony atomů kovů volné. Boridy tedy mají vysokou vodivost a odolnost hexaboridu lanthanu je zhruba stejná jako u kovového olova. Teplotní koeficient jeho rezistivity je kladný.
7) Pokud hexaboridy přijdou do styku s žáruvzdornými kovy při vysokých teplotách, bór bude difundovat do mřížky kovu a vytvoří s kovem intersticiální slitiny boru. Současně se kostra boru zhroutí a umožní atomům kovu odpařit se.
8) Při zahřátí boridů na určitou teplotu se atomy kovu na povrchu krystalu vypaří, ale jsou okamžitě doplněny atomy kovu difundujícími z vnitřku mřížky, přičemž kostra boru zůstává nezměněna, čímž se minimalizuje ztráta povrchově aktivních látek. .
Díky výše uvedeným výhodám byl LaB6 přeměněn na elektronické součástky v moderní technologii a široce používán v civilním a obranném průmyslu:
1) Elektronické emisní katody. Díky nízké práci s únikem elektronů lze získat katodové materiály s nejvyšším emisním proudem při středních teplotách, zejména vysoce kvalitní monokrystaly, které jsou ideálními materiály pro vysoce výkonné elektronové emisní katody.
2) Bodový světelný zdroj s vysokým jasem.
3) Vysoká stabilita a dlouhá životnost součástí systému. Jeho vynikající komplexní výkon umožňuje jeho použití v různých systémech s elektronovým paprskem, jako je gravírování elektronovým paprskem, zdroje tepla elektronovým paprskem, svařovací pistole s elektronovým paprskem a urychlovače, pro výrobu vysoce výkonných součástí ve strojírenství.
Příprava LaB6
(1)Příprava prášku LaB6
1) Metoda čisté syntézy prvků
Tato metoda je počáteční výzkumná metoda, vhodná pro výzkum fázových diagramů, ale není vhodná pro praktické výrobní aplikace.
2) Syntéza sloučenin obsahujících La a sloučenin obsahujících B
Tato metoda je průmyslovou metodou a existují různé reakční vzorce v závislosti na reaktantech:
3) Redukce sloučenin La čistým B
(2)Příprava polykrystalických materiálů LaB6
Polykrystaly LaB6 se obecně připravují slinováním a lisováním za tepla. V situacích, kdy vzorek obsahuje dutiny, lze slinování použít pouze pro přípravu. Slinování pomocí kelímků LaB6, ZrB2 nebo ZrC. Aby se zabránilo infiltraci B, není vhodné používat B kelímek. Obvykle se slinuje ve vodíkové atmosféře. Lisovací tlak za horka je 400 atm, teplota je 2000 stupňů a doba výdrže je 1-2 hodin. Velikost předvalku je obecně φ 100 mm × 30 mm.
(3)Příprava monokrystalu LaB6
V současnosti lze způsoby přípravy monokrystalů shrnout jako způsob zónového tavení, rozpouštědlový způsob a způsob v plynné fázi.
1) Metoda zónového tavení
Metoda zónového tavení je nejběžněji používanou metodou pro přípravu monokrystalů boridu vzácných zemin. Při použitíLaB6jako materiál elektrodového záření je nutné připravit monokrystaly s vysokou čistotou. Ačkoli nebyl nalezen žádný přesný vztah mezi nečistotami v LaB6 a jeho životností jako emitující elektrody, čím vyšší je čistotaLaB6, tím delší je jeho životnost. Proto je příprava vysoce čistých materiálů velmi smysluplná.
Za účelem přípravy vysoké čistotyLaB6Obecně se používá metoda tavení v suspenzní zóně bez kelímku, chráněná inertním plynem, jak je znázorněno na obrázku 2:
Obrázek 2 Schéma zónového tavení
Metody zónového tavení pro přípravu monokrystalů zahrnují vysokofrekvenční ohřev, ohřev elektronovým paprskem, obloukový ohřev a ohřev laserovým paprskem.
2) Metoda rozpouštědel
Rozpouštědlová metoda je také základní metodou pro přípravu monokrystaluLaB6, který zahrnuje dvě metody: metodu rozpouštědel hliníku a metodu rozpouštědel vzácných zemin. Oba jsou podobné, až na to, že druhý používá prvky vzácných zemin místo hliníku, jak je znázorněno na obrázku níže:
Obrázek 3 Schematický diagram rozpouštědlové metody hliníku
3) Metoda srážení v plynné fázi (CVD).
Metoda srážení v plynné fázi je proces využití plynných látek k chemickým reakcím na povrchu pevného materiálu, při kterých se vytvářejí pevné usazeniny. Schéma jeho principu je následující:
Obrázek 4 Schéma principu CVD metody
Vzorce chemických reakcí použitelné pro výrobu LaB6 metodou CVD zahrnují:
HNRE úspěšně vyrobila prášek LaB6 s čistotou více než 99 % předúpravou surovin karbidu boru a chemickým čištěním prášku LaB6. Vyvinuli jsme také proces teplotně-tlakového dvojitého gradientového slinování pro polykrystalické bloky LaB6 s vysokou hustotou. Hustota polykrystalického objemu je více než 95 % a velikost zrna je asi 20 μm. Naše dutá katoda vyrobená z polykrystalického bloku LaB6 má vlastnosti vysoké hustoty emisního proudu, dlouhou životnost katody a stabilní katodový výkon.