Πωςπρος τηνετοιμαστείτε ψηλάεκτέλεση lεξαβορίδιο ανθάνιου (LaB6)
Το εξαβορίδιο του λανθανίου (LaB6) αναγνωρίζεται ως το καλύτερο υλικό θερμής καθόδου επί του παρόντος, το οποίο έχει τα χαρακτηριστικά της χαμηλής εργασίας διαφυγής, της καλής χημικής σταθερότητας, του υψηλού σημείου τήξης, της υψηλής σκληρότητας, της υψηλής πυκνότητας ρεύματος εκπομπής και της ισχυρής αντίστασης στον βομβαρδισμό ιόντων. Το LaB6 έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών και έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε περισσότερους από 20 στρατιωτικούς τομείς και τομείς υψηλής τεχνολογίας, όπως ραντάρ, αεροδιαστημική, ηλεκτρονική βιομηχανία κ.λπ. Η σειρά προϊόντων της περιλαμβάνει κυρίως τρία είδη σκόνης, πολυκρυσταλλική και μονοκρυσταλλική. Συγκεκριμένα, ο μονοκρύσταλλος εξαβοριδίου του λανθανίου είναι το καλύτερο υλικό για την κατασκευή σωλήνων ηλεκτρονίων υψηλής ισχύος, μαγνητρονίου, δέσμης ηλεκτρονίων, δέσμης ιόντων και καθόδου επιταχυντή.
Φυσικές και χημικές ιδιότητες του Λαβ6
Το εύρος ύπαρξης εξαβοριδίου του λανθανίου: που περιέχει Β 85.8-88 (wt)%, είναι μωβ όταν περιέχει Β 85,8%, και μπλε όταν περιέχει Β 88%. Η πυκνότητα είναι 4,7 g/cm3, η αντίσταση σε θερμοκρασία δωματίου είναι 15-27 μΩ, η σκληρότητα του Vickers είναι 27,7 GPa, η λειτουργία εργασίας είναι 2,66 eV, η σταθερά εκπομπής είναι 29A/εκ2·K2.
Το εξαβορίδιο του λανθανίου είναι αδιαφανές και εμφανίζεται ανοιχτό κοκκινωπό μοβ όταν είναι στεγνό και βαθύ κόκκινο όταν είναι υγρό. Το εξαβορίδιο του λανθανίου έχει κυβική κρυσταλλική δομή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1:
Σχήμα 1 Κρυσταλλική δομή του LaB6
Από το σχήμα, φαίνεται ότι τα δομικά χαρακτηριστικά του κυβικού κρυστάλλου εξαβοριδίου του λανθανίου είναι:
1) Τα άτομα βορίου σχηματίζουν μια τρισδιάστατη κυβική δομή πλαισίου, που περιέχει μεγαλύτερα άτομα λανθανίου.
2) Το πλαίσιο του βορίου είναι ένα οκτάεδρο, και σε κάθε κορυφή ενός κύβου, υπάρχει ένα οκτάεδρο που σχηματίζεται από ένα ατομικό πλαίσιο βορίου, το οποίο συνδέεται μεταξύ τους με τις κορυφές του.
3) Κάθε άτομο βορίου είναι γειτονικό με πέντε άτομα βορίου, τέσσερα μέσα στο οκτάεδρό του και ένα προς την κατεύθυνση ενός από τους κύριους άξονες του κύβου, δίνοντας έτσι μια δομή ομοπολικού πλέγματος με αριθμό συντονισμού 5.
4) Κάθε άτομο βορίου έχει τρία ηλεκτρόνια σθένους που εκχωρούνται σε πέντε δεσμούς.
5) Ο αριθμός συντονισμού των ατόμων μετάλλου που παγιδεύονται σε ένα πλέγμα βορίου είναι 24.
Η κρυσταλλική δομή των βοριδίων καθορίζει τις μοναδικές ιδιότητές τους:
1) Λόγω της ισχυρής δύναμης σύνδεσης μεταξύ των ατόμων βορίου (σταθερά πλέγματος 4,145 Α), είναι μια πυρίμαχη ένωση με σημείο τήξης 2210 μοίρες.
2) Σε θερμοκρασία δωματίου, αντιδρά μόνο με νιτρικό οξύ και aqua regia. Το οξυγόνο υφίσταται οξείδωση μόνο σε 600-700 βαθμό .
3) Μέσα σε ένα ορισμένο εύρος θερμοκρασίας, ο συντελεστής διαστολής πλησιάζει το μηδέν.
4) Η καλή σταθερότητα στον αέρα και η επιφανειακή μόλυνση κατά τη χρήση μπορούν να αποκατασταθούν με θερμική επεξεργασία κενού.
5) Καλή αντοχή σε βομβαρδισμό ιόντων και ικανή να αντέχει σε υψηλή αντοχή πεδίου.
6) Λόγω της απουσίας δεσμών σθένους μεταξύ ατόμων μετάλλου και ατόμων βορίου, τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων μετάλλου είναι ελεύθερα. Έτσι τα βορίδια έχουν υψηλή αγωγιμότητα και η αντίσταση του εξαβοριδίου του λανθανίου είναι περίπου ίδια με αυτή του μεταλλικού μολύβδου. Ο συντελεστής θερμοκρασίας της ειδικής αντίστασής του είναι θετικός.
7) Εάν τα εξαβορίδια αφεθούν να έρθουν σε επαφή με πυρίμαχα μέταλλα σε υψηλές θερμοκρασίες, το βόριο θα διαχυθεί στο πλέγμα του μετάλλου και θα σχηματίσει ενδιάμεσα κράματα βορίου με το μέταλλο. Ταυτόχρονα, το πλαίσιο του βορίου θα καταρρεύσει, επιτρέποντας στα άτομα του μετάλλου να εξατμιστούν.
8) Όταν τα βορίδια θερμαίνονται σε μια ορισμένη θερμοκρασία, τα άτομα μετάλλου στην επιφάνεια του κρυστάλλου εξατμίζονται, αλλά αναπληρώνονται αμέσως από τα άτομα μετάλλου που διαχέονται από το εσωτερικό του πλέγματος, ενώ το πλαίσιο του βορίου παραμένει αμετάβλητο, ελαχιστοποιώντας την απώλεια επιφανειοδραστικών ουσιών .
Λόγω των παραπάνω πλεονεκτημάτων, το LaB6 έχει κατασκευαστεί σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα στη σύγχρονη τεχνολογία και χρησιμοποιείται ευρέως στην πολιτική και αμυντική βιομηχανία:
1) Ηλεκτρονικές κάθοδοι εκπομπής. Λόγω της εργασίας χαμηλής διαφυγής ηλεκτρονίων, μπορούν να ληφθούν καθοδικά υλικά με το υψηλότερο ρεύμα εκπομπής σε μεσαίες θερμοκρασίες, ειδικά μονοκρύσταλλοι υψηλής ποιότητας, που είναι ιδανικά υλικά για καθόδους εκπομπής ηλεκτρονίων υψηλής ισχύος.
2) Πηγή φωτός σημείου υψηλής φωτεινότητας.
3) Στοιχεία συστήματος υψηλής σταθερότητας και μεγάλης διάρκειας ζωής. Η εξαιρετική του ολοκληρωμένη απόδοση επιτρέπει την εφαρμογή του σε διάφορα συστήματα δέσμης ηλεκτρονίων, όπως χάραξη δέσμης ηλεκτρονίων, πηγές θερμότητας δέσμης ηλεκτρονίων, πιστόλια συγκόλλησης δέσμης ηλεκτρονίων και επιταχυντές, για την παραγωγή εξαρτημάτων υψηλής απόδοσης σε τομείς μηχανικής.
Προετοιμασια του Λαβ6
(1)Παρασκευή της σκόνης LaB6
1) Μέθοδος σύνθεσης καθαρών στοιχείων
Αυτή η μέθοδος είναι η αρχική μέθοδος έρευνας, κατάλληλη για έρευνα διαγραμμάτων φάσης, αλλά δεν είναι κατάλληλη για πρακτικές εφαρμογές παραγωγής.
2) Σύνθεση ενώσεων που περιέχουν La και ενώσεων που περιέχουν Β
Αυτή η μέθοδος είναι μια βιομηχανική μέθοδος και υπάρχουν διαφορετικοί τύποι αντίδρασης ανάλογα με τα αντιδρώντα:
3) Αναγωγή των ενώσεων La με καθαρό Β
(2)Παρασκευή πολυκρυσταλλικών υλικών LaB6
Οι πολυκρυστάλλοι LaB6 παρασκευάζονται γενικά με μεθόδους πυροσυσσωμάτωσης και θερμής συμπίεσης. Σε περιπτώσεις όπου το δείγμα έχει κενά, η πυροσυσσωμάτωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για προετοιμασία. Ποσυσσωμάτωση με χρήση χωνευτηρίων LaB6, ZrB2 ή ZrC. Για να αποφευχθεί η διείσδυση του Β, δεν συνιστάται η χρήση χωνευτηρίου Β. Συνήθως πυροσυσσωματώνεται σε ατμόσφαιρα υδρογόνου. Η πίεση θερμής πίεσης είναι 400 atm, η θερμοκρασία είναι 2000 μοίρες και ο χρόνος διατήρησης είναι 1-2 ώρες. Το μέγεθος της μπιγιέτας είναι γενικά φ 100mm × 30mm.
(3)Παρασκευή μονοκρυστάλλου LaB6
Επί του παρόντος, οι μέθοδοι παρασκευής μονοκρυστάλλων μπορούν να συνοψιστούν ως μέθοδος τήξης ζώνης, μέθοδος διαλύτη και μέθοδος αέριας φάσης.
1) Μέθοδος τήξης ζώνης
Η μέθοδος τήξης ζώνης είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την παρασκευή μονοκρυστάλλων βοριδίου σπάνιων γαιών. Οταν χρησιμοποιείτεΛαβ6ως υλικό ακτινοβολίας ηλεκτροδίων, είναι απαραίτητο να παρασκευαστούν μονοκρυστάλλοι με υψηλή καθαρότητα. Αν και δεν έχει βρεθεί ακριβής σχέση μεταξύ των ακαθαρσιών στο LaB6 και της διάρκειας ζωής του ως ηλεκτροδίου εκπομπής, τόσο υψηλότερη είναι η καθαρότητα τουΛαβ6, τόσο μεγαλύτερη είναι η διάρκεια ζωής του. Επομένως, η προετοιμασία υλικών υψηλής καθαρότητας είναι πολύ σημαντική.
Προκειμένου να παρασκευαστεί υψηλής καθαρότηταςΛαβ6, γενικά υιοθετείται μια μέθοδος τήξης ζώνης αιώρησης χωρίς χωνευτήριο, προστατευμένη από αδρανές αέριο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2:
Σχήμα 2 Σχηματικό διάγραμμα μεθόδου τήξης ζώνης
Οι μέθοδοι τήξης ζώνης για την παρασκευή μονοκρυστάλλων περιλαμβάνουν τη θέρμανση με ραδιοσυχνότητες, τη θέρμανση με δέσμη ηλεκτρονίων, τη θέρμανση με τόξο και τη θέρμανση με δέσμη λέιζερ.
2) Μέθοδος διαλύτη
Η μέθοδος του διαλύτη είναι επίσης η βασική μέθοδος παρασκευής μονοκρυστάλλουΛαβ6, η οποία περιλαμβάνει δύο μεθόδους: μέθοδο διαλύτη αλουμινίου και μέθοδο διαλύτη σπανίων γαιών. Τα δύο είναι παρόμοια, εκτός από το ότι το τελευταίο χρησιμοποιεί στοιχεία σπάνιων γαιών αντί για αλουμίνιο, όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα:
Σχήμα 3 Σχηματικό διάγραμμα μεθόδου διαλύτη αλουμινίου
3) Μέθοδος καθίζησης αέριας φάσης (CVD).
Η μέθοδος καθίζησης αέριας φάσης είναι η διαδικασία χρήσης αέριων ουσιών για να υποστούν χημικές αντιδράσεις στην επιφάνεια ενός στερεού υλικού, δημιουργώντας στερεές εναποθέσεις. Το σχηματικό διάγραμμα της αρχής του έχει ως εξής:
Σχήμα 4 Σχηματικό διάγραμμα της αρχής της μεθόδου CVD
Οι τύποι χημικής αντίδρασης που ισχύουν για την παραγωγή LaB6 με τη μέθοδο CVD περιλαμβάνουν:
Η HNRE δημιούργησε με επιτυχία σκόνη LaB6 με καθαρότητα μεγαλύτερη από 99% με προεπεξεργασία πρώτων υλών καρβιδίου του βορίου και χημικό καθαρισμό της σκόνης LaB6. Έχουμε επίσης αναπτύξει μια διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης διπλής κλίσης θερμοκρασίας για πολυκρυσταλλικά μπλοκ LaB6 υψηλής πυκνότητας. Η πυκνότητα του πολυκρυσταλλικού όγκου είναι μεγαλύτερη από 95%, και το μέγεθος των κόκκων είναι περίπου 20 μm. Η κοίλη κάθοδος μας από πολυκρυσταλλικό μπλοκ LaB6 έχει τα χαρακτηριστικά υψηλής πυκνότητας ρεύματος εκπομπής, μεγάλης διάρκειας ζωής καθόδου και σταθερής απόδοσης καθόδου.