Kakotopripremite se visokoperformanse lantan heksaborid (LaB6)
Lantan heksaborid (LaB6) je trenutno prepoznat kao najbolji materijal vruće katode, koji ima karakteristike malog izlaza, dobre hemijske stabilnosti, visoke tačke topljenja, visoke tvrdoće, velike gustine emisione struje i jake otpornosti na jonsko bombardovanje. LaB6 ima širok spektar primjena, a uspješno se koristi u više od 20 vojnih i visokotehnoloških područja, kao što su radar, svemirska, elektronička industrija itd. Njegova serija proizvoda uglavnom uključuje tri vrste praha, polikristal i monokristal. Konkretno, monokristal lantan heksaborida je najbolji materijal za izradu elektronske cijevi velike snage, magnetrona, elektronskog snopa, jonskog snopa i katode akceleratora.
Fizička i hemijska svojstva LaB6
Raspon postojanja lantanovog heksaborida: koji sadrži B 85.8-88 (težinski)%, ljubičast je kada sadrži B 85,8%, a plavi kada sadrži B 88%; Gustina je 4,7g/cm3, otpornost na sobnu temperaturu je 15-27 μΩ, tvrdoća po Vickersu je 27,7 GPa, radna funkcija je 2,66 eV, konstanta emisije je 29A/cm2·K2.
Lantan heksaborid je neproziran i izgleda svijetlocrvenkasto ljubičasto kada je suv, a tamnocrven kada je vlažan. Lantan heksaborid ima kubičnu kristalnu strukturu, kao što je prikazano na slici 1:
Slika 1 Kristalna struktura LaB6
Sa slike se može vidjeti da su strukturne karakteristike kubnog kristala lantanovog heksaborida:
1) Atomi bora formiraju trodimenzionalnu kubičnu strukturu, koja sadrži veće atome lantana.
2) Borov okvir je oktaedar, a na svakom vrhu kocke nalazi se oktaedar formiran od atomskog okvira bora, koji je svojim vrhovima povezan jedan s drugim.
3) Svaki atom bora je u blizini pet atoma bora, četiri unutar svog oktaedra i jedan u smjeru jedne od glavnih osa kocke, dajući tako homopolarnu strukturu rešetke s koordinacijskim brojem 5.
4) Svaki atom bora ima tri valentna elektrona dodijeljena pet veza.
5) Koordinacioni broj atoma metala zarobljenih u rešetki bora je 24.
Kristalna struktura borida određuje njihova jedinstvena svojstva:
1) Zbog jake sile veze između atoma bora (konstanta rešetke 4,145 Å), to je vatrostalno jedinjenje sa tačkom topljenja od 2210 stepeni.
2)Na sobnoj temperaturi reaguje samo sa azotnom kiselinom i carskom vodom; Kiseonik se podvrgava oksidaciji samo na 600-700 stepenu.
3) Unutar određenog temperaturnog raspona, koeficijent ekspanzije se približava nuli.
4) Dobra stabilnost u vazduhu, a površinska kontaminacija tokom upotrebe može se obnoviti vakuumskom toplotnom obradom.
5) Dobra otpornost na jonsko bombardovanje i sposobna da izdrži veliku snagu polja.
6) Zbog odsustva valentnih veza između atoma metala i atoma bora, valentni elektroni atoma metala su slobodni. Dakle, boridi imaju visoku provodljivost, a otpornost heksaborida lantana je otprilike ista kao i otpornost metalnog olova. Temperaturni koeficijent njegove otpornosti je pozitivan.
7) Ako se dozvoli da heksaboridi dođu u kontakt sa vatrostalnim metalima na visokim temperaturama, bor će difundirati u rešetku metala i formirati međuprostorne legure bora sa metalom. U isto vrijeme, borov okvir će se srušiti, 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 navedenih prednosti, LaB6 je napravljen u elektronske komponente u modernoj tehnologiji i široko se koristi u civilnoj i odbrambenoj industriji:
1) Elektronske emisione katode. Zbog malog rada escape-a elektrona mogu se dobiti katodni materijali s najvećom emisionom strujom na srednjim temperaturama, posebno visokokvalitetni monokristali, koji su idealni materijali za katode velike snage elektronske emisije.
2) Tačkasti izvor svjetlosti visoke svjetline.
3) Visoka stabilnost i dug životni vijek komponenti sistema. Njegove odlične sveobuhvatne performanse omogućavaju njegovu primenu u različitim sistemima elektronskih zraka, kao što su graviranje elektronskim snopom, izvori toplote elektronskim snopom, pištolji za zavarivanje elektronskim snopom i akceleratori, za proizvodnju komponenti visokih performansi u inženjerskim poljima.
Priprema od LaB6
(1) Priprema LaB6 praha
1) Metoda sinteze čistog elementa
Ova metoda je početna metoda istraživanja, pogodna za istraživanje faznog dijagrama, ali nije pogodna za praktične proizvodne primjene.
2) Sinteza jedinjenja koja sadrže La i jedinjenja koja sadrže B
Ova metoda je industrijska metoda i postoje različite formule reakcije ovisno o reaktantima:
3) Redukcija La spojeva sa čistim B
(2) Priprema LaB6 polikristalnih materijala
LaB6 polikristali se uglavnom pripremaju metodama sinterovanja i vrućeg presovanja. U situacijama kada uzorak ima šupljine, sinteriranje se može koristiti samo za pripremu. Sinterovanje pomoću LaB6, ZrB2 ili ZrC lončića. Da bi se spriječila infiltracija B, nije preporučljivo koristiti B lončić. Obično se sinteruje u atmosferi vodika. Pritisak vrućeg presovanja je 400 atm, temperatura je 2000 stepeni, a vrijeme držanja je 1-2 sati. Veličina gredice je općenito φ 100 mm × 30 mm.
(3) Priprema LaB6 monokristala
Trenutno se metode pripreme monokristala mogu sažeti kao metoda zonskog topljenja, metoda otapala i metoda u gasnoj fazi.
1) Metoda zonskog topljenja
Metoda zonskog topljenja je najčešće korištena metoda za pripremu monokristala rijetkih zemalja borida. Prilikom upotrebeLaB6kao materijal za zračenje elektrode, potrebno je pripremiti monokristale visoke čistoće. Iako nije pronađena točna veza između nečistoća u LaB6 i njegovog vijeka trajanja kao emitirajuće elektrode, veća je čistoćaLaB6, što je duži njegov vijek trajanja. Stoga je priprema materijala visoke čistoće veoma značajna.
Za pripremu visoke čistoćeLaB6, općenito je prihvaćena metoda topljenja suspenzijske zone bez lončića, zaštićena inertnim plinom, kao što je prikazano na slici 2:
Slika 2 Šematski dijagram metode zonskog topljenja
Metode zonskog topljenja za pripremu monokristala uključuju grijanje radio frekvencijom, zagrijavanje elektronskim snopom, grijanje lukom i grijanje laserskim snopom.
2) Metoda rastvarača
Metoda rastvarača je takođe osnovna metoda za pripremu monokristalaLaB6, koji uključuje dvije metode: metodu rastvarača aluminijuma i metodu rastvarača rijetkih zemalja. Ova dva su slična, osim što potonji koristi elemente rijetkih zemalja umjesto aluminija, kao što je prikazano na dijagramu ispod:
Slika 3 Šematski dijagram metode aluminijskih rastvarača
3) Metoda precipitacije u gasnoj fazi (CVD).
Metoda taloženja u gasnoj fazi je proces upotrebe gasovitih supstanci za podvrgavanje hemijskim reakcijama na površini čvrstog materijala, stvarajući čvrste naslage. Šematski dijagram njegovog principa je sljedeći:
Slika 4 Šematski dijagram principa CVD metode
Formule hemijskih reakcija koje se primjenjuju na proizvodnju LaB6 CVD metodom uključuju:
HNRE je uspješno proizveo LaB6 prah sa čistoćom većom od 99% prethodnom obradom sirovina bor karbida i hemijskim prečišćavanjem LaB6 praha. Takođe smo razvili proces sinterovanja sa dvostrukim gradijentom temperature i pritiska za polikristalne blokove LaB6 visoke gustine. Gustoća polikristalne mase je više od 95%, a veličina zrna je oko 20 μm. Naša šuplja katoda napravljena od LaB6 polikristalnog bloka ima karakteristike visoke gustine emisione struje, dugog vijeka trajanja katode i stabilnih performansi katode.