Kakodopripremiti visokoizvođenje lantanov heksaborid (LaB6)
Lantanov heksaborid (LaB6) trenutno je prepoznat kao najbolji materijal za vruću katodu, koji ima karakteristike niskog rada izlaza, dobre kemijske stabilnosti, visoke točke taljenja, visoke tvrdoće, visoke gustoće struje emisije i jake otpornosti na ionsko bombardiranje. LaB6 ima širok raspon primjena i uspješno se koristi u više od 20 vojnih i visokotehnoloških područja, poput radara, zrakoplovstva, elektroničke industrije itd. Njegova serija proizvoda uglavnom uključuje tri vrste praha, polikristal i monokristal. Konkretno, monokristal lantanovog heksaborida je najbolji materijal za izradu elektronske cijevi velike snage, magnetrona, elektronskog snopa, ionskog snopa i akceleratorske katode.
Fizička i kemijska svojstva LaB6
Raspon postojanja lantanovog heksaborida: sadrži B 85.8-88 (tež.)%, ljubičast je kada sadrži B 85,8%, a plav kada sadrži B 88%; Gustoća je 4,7g/cm3, otpornost na sobnu temperaturu je 15-27 μΩ, tvrdoća po Vickersu je 27,7 GPa, radni rad je 2,66 eV, konstanta emisije je 29A/cm2·K2.
Lantanov heksaborid je neproziran i izgleda svijetlo crvenkasto ljubičast kada je suh, a tamnocrven kada je vlažan. Lantanov heksaborid ima kubičnu kristalnu strukturu, kao što je prikazano na slici 1:
Slika 1. Kristalna struktura LaB6
Sa slike je vidljivo da su strukturne karakteristike kubičnog kristala lantanovog heksaborida:
1) Atomi bora tvore trodimenzionalnu kubičnu okvirnu strukturu koja sadrži veće atome lantana.
2) Okvir bora je oktaedar, a na svakom vrhu kocke nalazi se oktaedar kojeg čini okvir atoma bora, koji su međusobno povezani svojim vrhovima.
3) Svaki atom bora susjedan je s pet atoma bora, četiri unutar njegovog oktaedra i jedan u smjeru jedne od glavnih osi kocke, dajući tako homopolarnu strukturu rešetke s koordinacijskim brojem 5.
4) Svaki atom bora ima tri valentna elektrona pridružena pet veza.
5) Koordinacijski broj atoma metala zarobljenih u borovoj rešetki je 24.
Kristalna struktura borida određuje njihova jedinstvena svojstva:
1) Zbog snažne sile vezivanja između atoma bora (konstanta rešetke 4,145 Å), to je vatrostalni spoj s talištem od 2210 stupnjeva.
2) Na sobnoj temperaturi reagira samo s dušičnom kiselinom i aqua regia; Kisik se oksidira samo na 600-700 stupnju.
3) Unutar određenog temperaturnog raspona, koeficijent ekspanzije se približava nuli.
4) Dobra stabilnost na zraku, a površinska kontaminacija tijekom uporabe može se obnoviti vakuumskom toplinskom obradom.
5) Dobra otpornost na ionsko bombardiranje i sposobnost izdržati veliku jakost polja.
6) Zbog nepostojanja valentnih veza između atoma metala i atoma bora, valentni elektroni atoma metala su slobodni. Dakle, boridi imaju visoku vodljivost, a otpornost lantanovog heksaborida je otprilike ista kao kod metalnog olova. Temperaturni koeficijent njegovog otpora je pozitivan.
7) Ako se dopusti da heksaboridi dođu u kontakt s vatrostalnim metalima na visokim temperaturama, bor će difundirati u rešetku metala i formirati intersticijske legure bora s metalom. U isto vrijeme, okvir bora će se urušiti, dopuštajući atomima metala da ispare.
8) Kada se boridi zagriju na određenu temperaturu, atomi metala na površini kristala isparavaju, ali se odmah nadopunjuju atomima metala koji difundiraju iz unutrašnjosti rešetke, dok okvir bora ostaje nepromijenjen, minimizirajući gubitak površinski aktivnih tvari .
Zbog gore navedenih prednosti, LaB6 je napravljen u elektroničkim komponentama u modernoj tehnologiji i široko se koristi u civilnoj i obrambenoj industriji:
1) Katode elektroničke emisije. Zbog malog rada bijega elektrona mogu se dobiti katodni materijali s najvećom emisijskom strujom pri srednjim temperaturama, posebice visokokvalitetni monokristali, koji su idealni materijali za katode visoke snage emisije elektrona.
2) Točkasti izvor svjetla visoke svjetline.
3) Komponente sustava visoke stabilnosti i dugog životnog vijeka. Njegova izvrsna sveobuhvatna izvedba omogućuje njegovu primjenu u različitim sustavima elektronskog snopa, kao što je graviranje elektronskim snopom, izvori topline elektronskim snopom, pištolji za zavarivanje elektronskim snopom i akceleratori, za proizvodnju komponenti visokih performansi u inženjerskim poljima.
Priprema LaB6
(1) Priprema praška LaB6
1) Metoda sinteze čistih elemenata
Ova metoda je početna metoda istraživanja, prikladna za istraživanje faznog dijagrama, ali nije prikladna za praktične proizvodne primjene.
2) Sinteza spojeva koji sadrže La i spojeva koji sadrže B
Ova metoda je industrijska metoda i postoje različite formule reakcija ovisno o reaktantima:
3) Redukcija La spojeva s čistim B
(2) Priprema LaB6 polikristalnih materijala
LaB6 polikristali općenito se pripremaju metodama sinteriranja i vrućeg prešanja. U situacijama kada uzorak ima šupljine, sinteriranje se može koristiti samo za pripremu. Sinteriranje pomoću lonaca LaB6, ZrB2 ili ZrC. Kako biste spriječili infiltraciju B, nije preporučljivo koristiti B lončić. Obično se sinteruje u atmosferi vodika. Tlak vrućeg prešanja je 400 atm, temperatura je 2000 stupnjeva, a vrijeme držanja je 1-2 sati. Veličina trupca je općenito φ 100 mm × 30 mm.
(3) Priprema LaB6 monokristala
Trenutno se metode pripreme monokristala mogu sažeti kao metoda taljenja u zoni, metoda otapala i metoda plinske faze.
1) Metoda zonskog taljenja
Metoda taljenja u zoni je najčešće korištena metoda za pripremu monokristala borida rijetke zemlje. Prilikom korištenjaLaB6kao materijal za zračenje elektroda, potrebno je pripremiti monokristale visoke čistoće. Iako nije pronađen točan odnos između nečistoća u LaB6 i njegovog radnog vijeka kao emitirajuće elektrode, veća je čistoćaLaB6, dulji je njegov vijek trajanja. Stoga je priprema materijala visoke čistoće vrlo značajna.
U cilju pripreme visoke čistoćeLaB6, općenito se primjenjuje metoda taljenja u suspenzijskoj zoni bez lončića, zaštićena inertnim plinom, kao što je prikazano na slici 2:
Slika 2. Shematski dijagram metode zonskog taljenja
Metode zonskog taljenja za pripremu monokristala uključuju zagrijavanje radiofrekvencijom, zagrijavanje elektronskim snopom, grijanje u luku i zagrijavanje laserskim snopom.
2) Metoda otapala
Metoda otapala također je osnovna metoda za dobivanje monokristalaLaB6, koja uključuje dvije metode: metodu otapala aluminija i metodu otapala rijetkih zemalja. Ova dva su slična, osim što ovaj drugi koristi elemente rijetke zemlje umjesto aluminija, kao što je prikazano na dijagramu ispod:
Slika 3. Shematski dijagram metode otapala aluminija
3) Metoda taloženja plinske faze (CVD).
Metoda taloženja u plinovitoj fazi je postupak korištenja plinovitih tvari za podvrgavanje kemijskim reakcijama na površini čvrstog materijala, stvarajući čvrste naslage. Shematski dijagram njegovog principa je sljedeći:
Slika 4. Shematski dijagram principa CVD metode
Formule kemijske reakcije primjenjive na proizvodnju LaB6 CVD metodom uključuju:
HNRE je uspješno proizveo prah LaB6 s čistoćom većom od 99% prethodnom obradom sirovina bor karbida i kemijskim pročišćavanjem praha LaB6. Također smo razvili proces sinteriranja s dvostrukim gradijentom temperature i tlaka za LaB6 polikristalne blokove visoke gustoće. Gustoća polikristalne mase je veća od 95%, a veličina zrna je oko 20 μm. Naša šuplja katoda izrađena od polikristalnog bloka LaB6 ima karakteristike visoke gustoće emisione struje, dugog životnog vijeka katode i stabilne performanse katode.