Hogyannak nekmagasra készülniteljesítmény lantán-hexaborid (LaB6)
A lantán-hexaboridot (LaB6) a jelenleg a legjobb forró katód anyagként ismerik el, amelynek jellemzői az alacsony kilépési munka, a jó kémiai stabilitás, a magas olvadáspont, a nagy keménység, a nagy emissziós áramsűrűség és az ionbombázással szembeni erős ellenállás. A LaB6 számos alkalmazási területtel rendelkezik, és több mint 20 katonai és high-tech területen sikeresen alkalmazták, mint például radar, repülőgépipar, elektronikai ipar stb. Terméksorozata elsősorban háromféle port, polikristályt és egykristályt tartalmaz. Különösen a lantán-hexaborid egykristály a legjobb anyag nagy teljesítményű elektroncső, magnetron, elektronsugár, ionsugár és gyorsítókatód készítéséhez.
Fizikai és kémiai tulajdonságai LaB6
A lantán-hexaborid létezési tartománya: B 85.8-88 (tömeg)%, lila színű, ha B 85,8%, és kék, ha B 88%; Sűrűsége 4,7g/cm3, szobahőmérséklet ellenállása 15-27 μΩ, Vickers keménysége 27,7 GPa, munkafüggvénye 2,66 eV, emissziós állandója 29A/cm2·K2.
A lantán-hexaborid átlátszatlan, és szárazon világos vöröseslilának, nedvesen pedig mélyvörösnek tűnik. A lantán-hexaborid köbös kristályszerkezettel rendelkezik, amint az 1. ábrán látható:
1. ábra A LaB6 kristályszerkezete
Az ábrán látható, hogy a lantán-hexaborid köbös kristályának szerkezeti jellemzői:
1) A bóratomok háromdimenziós köbös vázszerkezetet alkotnak, amely nagyobb lantánatomokat tartalmaz.
2) A bórváz egy oktaéder, és a kocka minden csúcsán van egy bór atomvázból alkotott oktaéder, amely csúcsaival kapcsolódik egymáshoz.
3) Minden bóratom öt bóratommal szomszédos, négy az oktaéderén belül, egy pedig a kocka egyik főtengelye irányában, így 5-ös koordinációs számmal homopoláris rácsszerkezetet kapunk.
4) Minden bóratom három vegyértékelektronnal rendelkezik, amelyek öt kötéshez vannak hozzárendelve.
5) A bórrácsban rekedt fématomok koordinációs száma 24.
A boridok kristályszerkezete meghatározza egyedi tulajdonságaikat:
1) A bóratomok közötti erős kötőerő miatt (rácsállandó 4,145 Å) tűzálló vegyület, olvadáspontja 2210 fok.
2) Szobahőmérsékleten csak salétromsavval és aqua regiával reagál; Az oxigén csak 600-700 fokon oxidálódik.
3) Egy bizonyos hőmérsékleti tartományon belül a tágulási együttható megközelíti a nullát.
4) Vákuumos hőkezeléssel helyreállítható a jó levegőstabilitás és a használat közbeni felületi szennyeződés.
5) Jó ellenállás az ionbombázással szemben, és képes ellenállni a nagy térerősségnek.
6) A fématomok és a bóratomok közötti vegyértékkötések hiánya miatt a fématomok vegyértékelektronjai szabadok. Tehát a boridok vezetőképessége nagy, és a lantán-hexaborid ellenállása nagyjából megegyezik a fém óloméval. Ellenállásának hőmérsékleti együtthatója pozitív.
7) Ha a hexaboridokat magas hőmérsékleten engedjük tűzálló fémekkel érintkezni, a bór bediffundál a fém rácsába, és intersticiális bórötvözeteket képez a fémmel. Ugyanakkor a bórváz összeomlik, lehetővé téve a fématomok elpárologtatását.
8) Ha a boridokat egy bizonyos hőmérsékletre hevítjük, a kristály felületén lévő fématomok elpárolognak, de a rács belsejéből kidiffundáló fématomok azonnal pótolják őket, miközben a bórváz változatlan marad, minimalizálva a felületaktív anyagok elvesztését. .
A fenti előnyöknek köszönhetően a LaB6-ból a modern technológia elektronikai alkatrészei lettek, és széles körben használják a polgári és védelmi iparban:
1) Elektronikus emissziós katódok. Az alacsony elektronszökési munkának köszönhetően középhőmérsékleten a legnagyobb emissziós árammal rendelkező katódanyagok nyerhetők, különösen kiváló minőségű egykristályok, amelyek ideális anyagok a nagy teljesítményű elektronemissziós katódok számára.
2) Nagy fényerejű fényforrás.
3) Nagy stabilitású és hosszú élettartamú rendszerelemek. Kiváló átfogó teljesítménye lehetővé teszi különféle elektronsugaras rendszerekben való alkalmazását, mint például elektronsugaras gravírozás, elektronsugaras hőforrások, elektronsugaras hegesztőpisztolyok és gyorsítók, nagy teljesítményű alkatrészek gyártásához mérnöki területeken.
Előkészítése LaB6
(1) LaB6 por előállítása
1) Tiszta elemszintézis módszer
Ez a módszer a kezdeti kutatási módszer, alkalmas fázisdiagram kutatásra, de nem alkalmas gyakorlati termelési alkalmazásokra.
2) La-t tartalmazó vegyületek és B-t tartalmazó vegyületek szintézise
Ez a módszer ipari módszer, és a reaktánsoktól függően különböző reakcióképletek léteznek:
3) La-vegyületek redukálása tiszta B-vel
(2) LaB6 polikristályos anyagok előállítása
A LaB6 polikristályokat általában szintereléssel és melegsajtolással állítják elő. Olyan esetekben, amikor a mintában üregek vannak, a szinterezés csak az előkészítéshez használható. Szinterezés LaB6, ZrB2 vagy ZrC tégelyekkel. A B beszivárgásának megakadályozására nem tanácsos B tégelyt használni. Általában hidrogénatmoszférában szinterelik. A melegsajtolási nyomás 400 atm, a hőmérséklet 2000 fok, a tartási idő 1-2 óra. A tuskó mérete általában φ 100 mm × 30 mm.
(3) LaB6 egykristály előállítása
Jelenleg az egykristályok előállítási módszerei zóna olvasztási módszerként, oldószeres módszerként és gázfázisú módszerként foglalhatók össze.
1) Zóna olvasztási módszer
A ritkaföldfém-borid egykristályok előállításának leggyakrabban használt módszere a zónaolvasztás. Használat soránLaB6elektród sugárzó anyagként nagy tisztaságú egykristályokat kell előállítani. Bár nem találtak pontos összefüggést a LaB6-ban lévő szennyeződések és a kibocsátó elektróda élettartama között, annál nagyobb a tisztasága.LaB6, annál hosszabb az élettartama. Ezért a nagy tisztaságú anyagok elkészítése nagyon értelmes.
A nagy tisztaságú előkészítés érdekébenLaB6, általában szuszpenziós zóna olvasztási módszert alkalmaznak tégely nélkül, inert gázzal védve, amint az a 2. ábrán látható:
2. ábra A zónaolvasztási módszer sematikus diagramja
Az egykristályok előállítására szolgáló zónaolvasztási módszerek közé tartozik a rádiófrekvenciás melegítés, az elektronsugaras melegítés, az ívmelegítés és a lézersugár-fűtés.
2) Oldószeres módszer
Az oldószeres módszer egyben az egykristály előállításának alapvető módszere isLaB6, amely két módszert tartalmaz: alumínium oldószeres módszert és ritkaföldfém oldószeres módszert. A kettő hasonló, kivéve, hogy az utóbbi ritkaföldfémeket használ alumínium helyett, amint az az alábbi ábrán látható:
3. ábra Az alumínium oldószeres módszer vázlatos diagramja
3) Gázfázisú kicsapásos (CVD) módszer
A gázfázisú kicsapás az a folyamat, amelynek során gáznemű anyagokat használnak fel kémiai reakciók végzésére egy szilárd anyag felületén, ami szilárd lerakódásokat eredményez. Elvének sematikus diagramja a következő:
4. ábra A CVD módszer elvének sematikus diagramja
A LaB6 CVD-módszerrel történő előállítására alkalmazható kémiai reakcióképletek a következők:
A HNRE bórkarbid nyersanyagok előkezelésével és a LaB6 por kémiai tisztításával több mint 99%-os tisztaságú LaB6 port állított elő. Kifejlesztettünk egy hőmérséklet-nyomás kettős gradiens szinterezési eljárást is nagy sűrűségű LaB6 polikristályos tömbökhöz. A polikristályos tömeg sűrűsége több mint 95%, a szemcseméret pedig körülbelül 20 μm. LaB6 polikristály blokkból készült üreges katódunk nagy emissziós áramsűrűséggel, hosszú katódélettartammal és stabil katódteljesítménnyel rendelkezik.