Kaipįpasiruošti aukštaispektaklis lAntano heksaboridas (LaB6)
Lantano heksaboridas (LaB6) yra pripažintas geriausia šiuo metu karšto katodo medžiaga, kuri pasižymi mažu pabėgimo darbu, geru cheminiu stabilumu, aukšta lydymosi temperatūra, dideliu kietumu, dideliu emisijos srovės tankiu ir dideliu atsparumu jonų bombardavimui. LaB6 turi platų pritaikymo spektrą ir buvo sėkmingai naudojamas daugiau nei 20 karinių ir aukštųjų technologijų sričių, tokių kaip radaras, aviacija, elektronikos pramonė ir kt. Jos produktų seriją daugiausia sudaro trijų rūšių milteliai, polikristaliniai ir monokristaliniai. Visų pirma, lantano heksaborido monokristalas yra geriausia medžiaga didelės galios elektronų vamzdžiui, magnetronui, elektronų pluoštui, jonų pluoštui ir greitintuvo katodui gaminti.
Fizinės ir cheminės savybės LaB6
Lantano heksaborido egzistavimo diapazonas: sudėtyje yra B 85.8-88 (masės)%, jis yra violetinis, kai yra 85,8% B, ir mėlynas, kai yra 88% B; Tankis 4,7g/cm3, atsparumas kambario temperatūrai 15-27 μΩ, Vickerso kietumas 27,7 GPa, darbo funkcija 2,66 eV, emisijos konstanta 29A/cm2·K2.
Lantano heksaboridas yra nepermatomas ir išdžiūvęs atrodo šviesiai rausvai violetinis, o drėgnas – tamsiai raudonas. Lantano heksaboridas turi kubinę kristalų struktūrą, kaip parodyta 1 paveiksle:
1 pav. LaB6 kristalinė struktūra
Iš paveikslo matyti, kad kubinio lantano heksaborido kristalo struktūrinės charakteristikos yra šios:
1) Boro atomai sudaro trimatę kubinę karkaso struktūrą, kurioje yra didesni lantano atomai.
2) Boro karkasas yra oktaedras, o kiekvienoje kubo viršūnėje yra oktaedras, sudarytas iš boro atominio karkaso, kuris yra sujungtas viena su kita savo viršūnėmis.
3) Kiekvienas boro atomas yra greta penkių boro atomų, keturi jo oktaedre ir vienas vienos iš pagrindinių kubo ašių kryptimi, todėl gaunama homopoliarinės gardelės struktūra, kurios koordinavimo skaičius yra 5.
4) Kiekvienas boro atomas turi tris valentinius elektronus, priskirtus penkioms jungtims.
5) Metalo atomų, įstrigusių boro gardelėje, koordinacinis skaičius yra 24.
Boridų kristalinė struktūra lemia jų unikalias savybes:
1) Dėl stiprios jungties jėgos tarp boro atomų (gardelės konstanta 4,145 Å), tai yra ugniai atsparus junginys, kurio lydymosi temperatūra yra 2210 laipsnių.
2) Kambario temperatūroje jis reaguoja tik su azoto rūgštimi ir aqua regia; Deguonis oksiduojamas tik esant 600-700 laipsniui.
3) Tam tikrame temperatūros diapazone plėtimosi koeficientas artėja prie nulio.
4) Geras stabilumas ore, o paviršiaus užterštumas naudojimo metu gali būti atkurtas naudojant vakuuminį terminį apdorojimą.
5) Geras atsparumas jonų bombardavimui ir gali atlaikyti didelį lauko stiprumą.
6) Dėl to, kad tarp metalo atomų ir boro atomų nėra valentinių ryšių, metalo atomų valentiniai elektronai yra laisvi. Taigi boridai turi didelį laidumą, o lantano heksaborido atsparumas yra maždaug toks pat kaip metalinio švino. Jo varžos temperatūros koeficientas yra teigiamas.
7) Jei aukštoje temperatūroje heksaboridams leidžiama liestis su ugniai atspariais metalais, boras išsisklaidys į metalo gardelę ir su metalu sudarys intersticinius boro lydinius. Tuo pačiu metu boro karkasas žlugs, leisdamas metalo atomams išgaruoti.
8) Kai boridai kaitinami iki tam tikros temperatūros, kristalo paviršiuje esantys metalo atomai išgaruoja, bet iš karto pasipildo metalo atomais, difunduojančiais iš gardelės vidaus, o boro karkasas lieka nepakitęs, sumažinant paviršinio aktyvumo medžiagų praradimą. .
Dėl minėtų privalumų LaB6 buvo paverstas elektroniniais komponentais šiuolaikinėse technologijose ir plačiai naudojamas civilinėje ir gynybos pramonėje:
1) Elektroninės emisijos katodai. Dėl mažo elektronų pašalinimo darbo galima gauti katodines medžiagas su didžiausia emisijos srove esant vidutinei temperatūrai, ypač aukštos kokybės monokristalų, kurie yra ideali medžiaga didelės galios elektronų emisijos katodams.
2) Didelio ryškumo taško šviesos šaltinis.
3) Didelio stabilumo ir ilgaamžiškumo sistemos komponentai. Puikus visapusiškas veikimas leidžia jį pritaikyti įvairiose elektronų pluošto sistemose, tokiose kaip elektronų pluošto graviravimas, elektronų pluošto šilumos šaltiniai, elektronų pluošto suvirinimo pistoletai ir greitintuvai, gaminant didelio našumo komponentus inžinerijos srityse.
Parengimas LaB6
(1) LaB6 miltelių paruošimas
1) Grynųjų elementų sintezės metodas
Šis metodas yra pradinis tyrimo metodas, tinkamas fazių diagramų tyrimams, bet netinkamas praktiniam gamybos pritaikymui.
2) Junginių, kurių sudėtyje yra La, ir junginių, kurių sudėtyje yra B, sintezė
Šis metodas yra pramoninis, o reakcijos formulės priklauso nuo reagentų:
3) La junginių redukavimas grynu B
(2) LaB6 polikristalinių medžiagų paruošimas
LaB6 polikristalai paprastai gaminami sukepinimo ir karšto presavimo metodais. Tais atvejais, kai mėginyje yra tuštumų, sukepinimas gali būti naudojamas tik paruošimui. Sukepinimas naudojant LaB6, ZrB2 arba ZrC tiglius. Norint išvengti B įsiskverbimo, nepatartina naudoti B tiglio. Paprastai sukepinama vandenilio atmosferoje. Karšto presavimo slėgis yra 400 atm, temperatūra 2000 laipsnių, o laikymo laikas yra 1-2 val. Ruošinio dydis paprastai yra φ 100 mm × 30 mm.
(3) LaB6 vieno kristalo paruošimas
Šiuo metu pavienių kristalų paruošimo metodus galima apibendrinti kaip zonos lydymosi metodą, tirpiklio metodą ir dujų fazės metodą.
1) Zonos lydymosi metodas
Zonos lydymosi metodas yra dažniausiai naudojamas retųjų žemių borido monokristalų paruošimo metodas. NaudojantLaB6kaip elektrodo spinduliavimo medžiaga, būtina paruošti didelio grynumo monokristalius. Nors nebuvo rasta tikslaus ryšio tarp LaB6 priemaišų ir jo, kaip skleidžiančio elektrodo, tarnavimo laiko, tuo didesnis jo grynumas.LaB6, tuo ilgesnis jo tarnavimo laikas. Todėl didelio grynumo medžiagų paruošimas yra labai prasmingas.
Norint paruošti didelio grynumoLaB6, paprastai naudojamas suspensijos zonos lydymo metodas be tiglio, apsaugotas inertinėmis dujomis, kaip parodyta 2 paveiksle:
2 pav. Zonos lydymosi metodo schema
Vienkristalų paruošimo zonos lydymo metodai apima radijo dažnio kaitinimą, elektronų pluošto kaitinimą, lanko kaitinimą ir lazerio spindulio kaitinimą.
2) Tirpiklio metodas
Tirpiklio metodas taip pat yra pagrindinis monokristalų paruošimo metodasLaB6, kuris apima du metodus: aliuminio tirpiklio metodą ir retųjų žemių tirpiklio metodą. Jie abu yra panašūs, išskyrus tai, kad pastarajame naudojami retųjų žemių elementai, o ne aliuminis, kaip parodyta toliau pateiktoje diagramoje:
3 pav. Aliuminio tirpiklio metodo schema
3) Dujinės fazės nusodinimo (CVD) metodas
Dujinės fazės nusodinimo metodas – tai procesas, kai dujinės medžiagos vyksta cheminėms reakcijoms ant kietos medžiagos paviršiaus ir susidaro kietos nuosėdos. Jo principo schema yra tokia:
4 pav. CVD metodo principo schema
Cheminės reakcijos formulės, taikomos LaB6 gamybai CVD metodu, apima:
HNRE sėkmingai pagamino LaB6 miltelius, kurių grynumas didesnis nei 99 %, iš anksto apdorojant boro karbido žaliavas ir cheminiu būdu išvalius LaB6 miltelius. Taip pat sukūrėme temperatūros ir slėgio dvigubo gradiento sukepinimo procesą didelio tankio LaB6 polikristaliniams blokams. Polikristalinės masės tankis yra didesnis nei 95%, o grūdelių dydis yra apie 20 μm. Mūsų tuščiaviduris katodas, pagamintas iš LaB6 polikristalinio bloko, pasižymi dideliu emisijos srovės tankiu, ilgu katodo tarnavimo laiku ir stabiliu katodo veikimu.