Каккподготовиться к высокомупроизводительность lгексаборид антана (LaB6)
Гексаборид лантана (LaB6) признан лучшим материалом для горячего катода в настоящее время, который обладает такими характеристиками, как низкая работа утечки, хорошая химическая стабильность, высокая температура плавления, высокая твердость, высокая плотность тока эмиссии и сильная устойчивость к ионной бомбардировке. LaB6 имеет широкий спектр применения и успешно используется в более чем 20 военных и высокотехнологичных областях, таких как радиолокация, аэрокосмическая промышленность, электронная промышленность и т. д. Его серия продуктов в основном включает три вида порошка, поликристалл и монокристалл. В частности, монокристалл гексаборида лантана является лучшим материалом для изготовления высокомощных электронных ламп, магнетронов, электронно-лучевых, ионно-лучевых и ускорительных катодов.
Физические и химические свойства ЛаБ6
Диапазон существования гексаборида лантана: содержащий B 85.8-88 (мас.)%, он фиолетовый при содержании B 85.8% и синий при содержании B 88%; Плотность 4.7 г/см3, сопротивление при комнатной температуре 15-27 мкОм, твердость по Виккерсу 27.7 ГПа, работа выхода 2.66 эВ, константа эмиссии 29 А/см2·K2.
Гексаборид лантана непрозрачен и выглядит светло-красновато-фиолетовым в сухом виде и темно-красным во влажном виде. Гексаборид лантана имеет кубическую кристаллическую структуру, как показано на рисунке 1:
Рисунок 1 Кристаллическая структура LaB6
Из рисунка видно, что структурные характеристики кубического кристалла гексаборида лантана следующие:
1) Атомы бора образуют трехмерную кубическую каркасную структуру, содержащую более крупные атомы лантана.
2) Каркас бора представляет собой октаэдр, а в каждой вершине куба находится октаэдр, образованный каркасом атомов бора, которые соединены друг с другом своими вершинами.
3) Каждый атом бора соседствует с пятью атомами бора, четыре из которых находятся внутри его октаэдра, а один — в направлении одной из главных осей куба, что дает гомеополярную структуру решетки с координационным числом 5.
4) Каждый атом бора имеет три валентных электрона, распределенных по пяти связям.
5) Координационное число атомов металла, заключённых в решётке бора, равно 24.
Кристаллическая структура боридов определяет их уникальные свойства:
1) Благодаря сильной силе связи между атомами бора (постоянная решетки 4,145 Å) это тугоплавкое соединение с температурой плавления 2210 градусов.
2)При комнатной температуре реагирует только с азотной кислотой и царской водкой; кислород окисляется только при 600-700 степени.
3) В определенном диапазоне температур коэффициент расширения приближается к нулю.
4) Хорошая стабильность на воздухе, а также поверхностное загрязнение во время использования можно восстановить путем вакуумной термической обработки.
5) Хорошая устойчивость к ионной бомбардировке и способность выдерживать высокие напряженности поля.
6) Из-за отсутствия валентных связей между атомами металла и атомами бора валентные электроны атомов металла свободны. Поэтому бориды обладают высокой проводимостью, а сопротивление гексаборида лантана примерно такое же, как у металлического свинца. Температурный коэффициент его удельного сопротивления положительный.
7) Если гексабориды контактируют с тугоплавкими металлами при высоких температурах, бор будет диффундировать в решетку металла и образовывать междоузельные сплавы бора с металлом. В то же время каркас бора будет разрушаться, позволяя атомам металла испаряться.
8) При нагревании боридов до определенной температуры атомы металла на поверхности кристалла испаряются, но тут же пополняются атомами металла, диффундирующими изнутри решетки, при этом борный каркас остается неизменным, что сводит к минимуму потери поверхностно-активных веществ.
Благодаря вышеперечисленным преимуществам LaB6 нашел применение в электронных компонентах современных технологий и широко применяется в гражданской и оборонной промышленности:
1) Электронно-эмиссионные катоды. Благодаря малой работе выхода электронов можно получить катодные материалы с наибольшим током эмиссии при средних температурах, особенно высококачественные монокристаллы, которые являются идеальными материалами для мощных электронно-эмиссионных катодов.
2) Точечный источник света высокой яркости.
3) Высокая стабильность и длительный срок службы компонентов системы. Его превосходные комплексные характеристики позволяют применять его в различных электронно-лучевых системах, таких как электронно-лучевая гравировка, электронно-лучевые источники нагрева, электронно-лучевые сварочные пистолеты и ускорители, для производства высокопроизводительных компонентов в инженерных областях.
Подготовка ЛаБ6
(1)Приготовление порошка LaB6
1) Метод синтеза чистых элементов
Этот метод является начальным методом исследования, подходящим для исследования фазовой диаграммы, но не пригодным для практического применения в производстве.
2) Синтез соединений, содержащих La и соединений, содержащих B
Этот метод является промышленным, и в зависимости от реагентов существуют различные формулы реакции:
3) Восстановление соединений La чистым B
(2)Приготовление поликристаллических материалов LaB6
Поликристаллы LaB6 обычно готовятся методами спекания и горячего прессования. В ситуациях, когда образец имеет пустоты, спекание может быть использовано только для подготовки. Спекание с использованием тиглей LaB6, ZrB2 или ZrC. Чтобы предотвратить проникновение B, не рекомендуется использовать тигель B. Обычно спекаются в атмосфере водорода. Давление горячего прессования составляет 400 атм, температура — 2000 градусов, а время выдержки — 1-2 часов. Размер заготовки обычно составляет φ 100 мм × 30 мм.
(3)Приготовление монокристалла LaB6
В настоящее время методы получения монокристаллов можно обобщить как метод зонной плавки, метод растворителя и метод газовой фазы.
1) Метод зонной плавки
Метод зонной плавки является наиболее часто используемым методом получения монокристаллов боридов редкоземельных металлов. При использованииЛаБ6в качестве материала для электродного излучения необходимо приготовить монокристаллы высокой чистоты. Хотя точной связи между примесями в LaB6 и сроком его службы в качестве излучающего электрода не обнаружено, чем выше чистотаЛаБ6, тем дольше срок его службы. Поэтому подготовка материалов высокой чистоты имеет большое значение.
Для приготовления высокочистогоЛаБ6обычно применяется метод зонной плавки суспензии без тигля, защищенный инертным газом, как показано на рисунке 2:
Рисунок 2. Принципиальная схема метода зонной плавки
Методы зонной плавки для получения монокристаллов включают радиочастотный нагрев, электронно-лучевой нагрев, дуговой нагрев и нагрев лазерным лучом.
2) Метод растворителя
Метод растворителя также является основным методом получения монокристаллов.ЛаБ6, который включает два метода: метод растворителя алюминия и метод растворителя редкоземельных элементов. Они похожи, за исключением того, что последний использует редкоземельные элементы вместо алюминия, как показано на диаграмме ниже:
Рисунок 3. Принципиальная схема метода растворения алюминия
3) Метод осаждения из газовой фазы (CVD)
Метод осаждения из газовой фазы представляет собой процесс использования газообразных веществ для проведения химических реакций на поверхности твердого материала, в результате чего образуются твердые отложения. Схематическая диаграмма его принципа выглядит следующим образом:
Рисунок 4. Принципиальная схема метода CVD
Формулы химических реакций, применимые к производству LaB6 методом химического осаждения из газовой фазы, включают:
HNRE успешно изготовила порошок LaB6 с чистотой более 99% путем предварительной обработки сырья карбида бора и химической очистки порошка LaB6. Мы также разработали процесс спекания с двойным градиентом температуры и давления для поликристаллических блоков LaB6 высокой плотности. Плотность поликристаллической массы составляет более 95%, а размер зерна составляет около 20 мкм. Наш полый катод, изготовленный из поликристаллического блока LaB6, обладает характеристиками высокой плотности тока эмиссии, длительного срока службы катода и стабильной работы катода.