ComeApreparare in altoprestazione lesaboruro di antanio (LaB6)
L'esaboruro di lantanio (LaB6) è riconosciuto come il miglior materiale per catodo caldo al momento, che ha le caratteristiche di basso lavoro di fuga, buona stabilità chimica, alto punto di fusione, elevata durezza, elevata densità di corrente di emissione e forte resistenza al bombardamento ionico. LaB6 ha una vasta gamma di applicazioni ed è stato utilizzato con successo in più di 20 campi militari e ad alta tecnologia, come radar, aerospaziale, industria elettronica, ecc. La sua serie di prodotti include principalmente tre tipi di polvere, policristallino e monocristallo. In particolare, l'esaboruro di lantanio monocristallo è il miglior materiale per realizzare tubi elettronici ad alta potenza, magnetron, fascio di elettroni, fascio di ioni e catodo dell'acceleratore.
Proprietà fisiche e chimiche di LaB6
L'intervallo di esistenza dell'esaboruro di lantanio: contenente B 85,1% (peso), è viola quando contiene B 85,8% e blu quando contiene B 88%; la densità è 4,7 g/cm3, la resistenza a temperatura ambiente è {8}} μΩ, la durezza Vickers è 27,7 GPa, la funzione di lavoro è 2,66 eV, la costante di emissione è 29 A/cm2·K2.
L'esaboruro di lantanio è opaco e appare di un viola rossastro chiaro quando è asciutto e di un rosso intenso quando è umido. L'esaboruro di lantanio ha una struttura cristallina cubica, come mostrato nella Figura 1:
Figura 1 Struttura cristallina di LaB6
Dalla figura si può osservare che le caratteristiche strutturali del cristallo cubico di esaboruro di lantanio sono:
1) Gli atomi di boro formano una struttura cubica tridimensionale, contenente atomi di lantanio più grandi.
2) La struttura del boro è un ottaedro e in ogni vertice di un cubo c'è un ottaedro formato da una struttura atomica di boro, che è collegata alle altre tramite i suoi vertici.
3) Ogni atomo di boro è adiacente a cinque atomi di boro, quattro all'interno del suo ottaedro e uno nella direzione di uno degli assi principali del cubo, dando così una struttura reticolare omopolare con un numero di coordinazione pari a 5.
4) Ogni atomo di boro ha tre elettroni di valenza assegnati a cinque legami.
5) Il numero di coordinazione degli atomi metallici intrappolati in un reticolo di boro è 24.
La struttura cristallina dei boruri determina le loro proprietà uniche:
1) A causa della forte forza di legame tra gli atomi di boro (costante reticolare 4,145 Å), è un composto refrattario con un punto di fusione di 2210 gradi.
2) A temperatura ambiente reagisce solo con acido nitrico e acqua regia; l'ossigeno subisce ossidazione solo a 600-700 gradi.
3) Entro un certo intervallo di temperatura, il coefficiente di dilatazione si avvicina allo zero.
4) La buona stabilità nell'aria e la contaminazione superficiale durante l'uso possono essere ripristinate tramite trattamento termico sotto vuoto.
5) Buona resistenza al bombardamento ionico e capacità di sopportare elevate intensità di campo.
6) A causa dell'assenza di legami di valenza tra atomi di metallo e atomi di boro, gli elettroni di valenza degli atomi di metallo sono liberi. Quindi i boruri hanno un'elevata conduttività e la resistenza dell'esaboruro di lantanio è più o meno la stessa di quella del piombo metallico. Il coefficiente di temperatura della sua resistività è positivo.
7) Se si consente agli esaboruri di entrare in contatto con metalli refrattari ad alte temperature, il boro si diffonderà nel reticolo del metallo e formerà leghe di boro interstiziali con il metallo. Allo stesso tempo, la struttura del boro collasserà, consentendo agli atomi di metallo di evaporare.
8) Quando i boruri vengono riscaldati a una certa temperatura, gli atomi metallici sulla superficie del cristallo evaporano, ma vengono immediatamente ripristinati dagli atomi metallici che si diffondono dall'interno del reticolo, mentre la struttura del boro rimane invariata, riducendo al minimo la perdita di sostanze attive in superficie.
Grazie ai vantaggi sopra menzionati, il LaB6 è stato trasformato in componenti elettronici nella tecnologia moderna ed è ampiamente utilizzato nei settori civile e della difesa:
1) Catodi a emissione elettronica. Grazie al basso lavoro di fuga degli elettroni, è possibile ottenere materiali catodici con la più alta corrente di emissione a temperature medie, in particolare cristalli singoli di alta qualità, che sono materiali ideali per catodi a emissione di elettroni ad alta potenza.
2) Sorgente luminosa puntiforme ad alta luminosità.
3) Componenti di sistema ad alta stabilità e lunga durata. Le sue eccellenti prestazioni complete ne consentono l'applicazione in vari sistemi a fascio di elettroni, come incisione a fascio di elettroni, sorgenti di calore a fascio di elettroni, pistole per saldatura a fascio di elettroni e acceleratori, per la produzione di componenti ad alte prestazioni nei settori dell'ingegneria.
Preparazione di LaB6
(1)Preparazione della polvere di LaB6
1) Metodo di sintesi degli elementi puri
Questo metodo è il metodo di ricerca iniziale, adatto per la ricerca sui diagrammi di fase, ma non adatto per applicazioni pratiche di produzione.
2) Sintesi di composti contenenti La e composti contenenti B
Questo metodo è un metodo industriale e ci sono diverse formule di reazione a seconda dei reagenti:
3) Riduzione dei composti La con B puro
(2)Preparazione di materiali policristallini LaB6
I policristalli LaB6 sono generalmente preparati tramite metodi di sinterizzazione e pressatura a caldo. In situazioni in cui il campione presenta vuoti, la sinterizzazione può essere utilizzata solo per la preparazione. Sinterizzazione mediante crogioli LaB6, ZrB2 o ZrC. Per prevenire l'infiltrazione di B, non è consigliabile utilizzare crogioli B. Solitamente sinterizzati in atmosfera di idrogeno. La pressione di pressatura a caldo è di 400 atm, la temperatura è di 2000 gradi e il tempo di mantenimento è di 1-2 ore. La dimensione della billetta è generalmente φ 100 mm × 30 mm.
(3)Preparazione del monocristallo di LaB6
Attualmente, i metodi di preparazione dei monocristalli possono essere riassunti in metodo di fusione zonale, metodo del solvente e metodo in fase gassosa.
1) Metodo di fusione a zone
Il metodo di fusione a zona è il metodo più comunemente utilizzato per preparare cristalli singoli di boruro di terre rare. Quando si utilizzaLaB6come materiale di radiazione elettrodica, è necessario preparare cristalli singoli con elevata purezza. Sebbene non sia stata trovata alcuna relazione esatta tra le impurità in LaB6 e la sua durata di servizio come elettrodo emittente, maggiore è la purezza diLaB6, più lunga è la sua durata di servizio. Pertanto, preparare materiali ad alta purezza è molto significativo.
Per preparare prodotti ad alta purezzaLaB6, viene generalmente adottato un metodo di fusione a zona di sospensione senza crogiolo, protetto da gas inerte, come mostrato nella Figura 2:
Figura 2 Diagramma schematico del metodo di fusione a zona
I metodi di fusione a zona per la preparazione di monocristalli includono il riscaldamento a radiofrequenza, il riscaldamento a fascio di elettroni, il riscaldamento ad arco e il riscaldamento a fascio laser.
2) Metodo del solvente
Il metodo del solvente è anche il metodo di base per la preparazione del monocristalloLaB6, che include due metodi: metodo del solvente di alluminio e metodo del solvente di terre rare. I due sono simili, tranne per il fatto che quest'ultimo utilizza elementi di terre rare al posto dell'alluminio, come mostrato nel diagramma seguente:
Figura 3 Diagramma schematico del metodo del solvente di alluminio
3) Metodo di precipitazione in fase gassosa (CVD)
Il metodo di precipitazione in fase gassosa è il processo di utilizzo di sostanze gassose per sottoporre a reazioni chimiche la superficie di un materiale solido, generando depositi solidi. Lo schema del suo principio è il seguente:
Figura 4 Diagramma schematico del principio del metodo CVD
Le formule di reazione chimica applicabili alla produzione di LaB6 mediante il metodo CVD includono:
HNRE ha prodotto con successo polvere di LaB6 con una purezza superiore al 99% mediante pretrattamento di materie prime di carburo di boro e purificazione chimica della polvere di LaB6. Abbiamo anche sviluppato un processo di sinterizzazione a doppio gradiente temperatura-pressione per blocchi policristallini di LaB6 ad alta densità. La densità della massa policristallina è superiore al 95% e la granulometria è di circa 20 μm. Il nostro catodo cavo realizzato con blocchi policristallini di LaB6 ha le caratteristiche di elevata densità di corrente di emissione, lunga durata del catodo e prestazioni stabili del catodo.