Comoparaprepare-se altodesempenho lhexaboreto de antânio (LaB6)
O hexaboreto de lantânio (LaB6) é reconhecido como o melhor material de cátodo quente atualmente, que tem as características de baixo trabalho de escape, boa estabilidade química, alto ponto de fusão, alta dureza, alta densidade de corrente de emissão e forte resistência ao bombardeio de íons. O LaB6 tem uma ampla gama de aplicações e tem sido usado com sucesso em mais de 20 campos militares e de alta tecnologia, como radar, aeroespacial, indústria eletrônica, etc. Sua série de produtos inclui principalmente três tipos de pó, policristal e cristal único. Em particular, o cristal único de hexaboreto de lantânio é o melhor material para fazer tubo de elétrons de alta potência, magnetron, feixe de elétrons, feixe de íons e cátodo acelerador.
Propriedades físicas e químicas de LaB6
Faixa de existência do hexaboreto de lantânio: contendo B 85,8-88 (peso)%, é roxo quando contém B 85,8% e azul quando contém B 88%; A densidade é 4,7 g/cm3, a resistência à temperatura ambiente é 15-27 μΩ, a dureza Vickers é 27,7 GPa, a função de trabalho é 2,66 eV, a constante de emissão é 29A/cm2·K2.
O hexaboreto de lantânio é opaco e parece roxo avermelhado claro quando seco, e vermelho escuro quando úmido. O hexaboreto de lantânio tem uma estrutura cristalina cúbica, como mostrado na Figura 1:
Figura 1 Estrutura cristalina do LaB6
Na figura, pode-se observar que as características estruturais do cristal cúbico de hexaboreto de lantânio são:
1) Os átomos de boro formam uma estrutura cúbica tridimensional, contendo átomos de lantânio maiores.
2) A estrutura atômica do boro é um octaedro, e em cada vértice do cubo há um octaedro formado por uma estrutura atômica do boro, que são conectados entre si pelos seus vértices.
3) Cada átomo de boro é adjacente a cinco átomos de boro, quatro dentro de seu octaedro e um na direção de um dos eixos principais do cubo, dando assim uma estrutura de rede homopolar com um número de coordenação de 5.
4) Cada átomo de boro tem três elétrons de valência atribuídos a cinco ligações.
5) O número de coordenação dos átomos de metal presos em uma rede de boro é 24.
A estrutura cristalina dos boretos determina suas propriedades únicas:
1) Devido à forte força de ligação entre os átomos de boro (constante de rede 4,145 Å), é um composto refratário com ponto de fusão de 2210 graus.
2) À temperatura ambiente, ele reage apenas com ácido nítrico e água régia; O oxigênio só sofre oxidação a 600-700 graus.
3) Dentro de uma certa faixa de temperatura, o coeficiente de expansão se aproxima de zero.
4) Boa estabilidade no ar e contaminação da superfície durante o uso podem ser restauradas por tratamento térmico a vácuo.
5) Boa resistência ao bombardeio de íons e capacidade de suportar alta intensidade de campo.
6) Devido à ausência de ligações de valência entre átomos de metal e átomos de boro, os elétrons de valência dos átomos de metal são livres. Então boretos têm alta condutividade, e a resistência do hexaboreto de lantânio é aproximadamente a mesma que a do chumbo metálico. O coeficiente de temperatura de sua resistividade é positivo.
7) Se os hexaborídeos forem deixados em contato com metais refratários em altas temperaturas, o boro se difundirá na rede do metal e formará ligas de boro intersticiais com o metal. Ao mesmo tempo, a estrutura de boro entrará em colapso, permitindo que os átomos do metal evaporem.
8) Quando os boretos são aquecidos a uma certa temperatura, os átomos de metal na superfície do cristal evaporam, mas são imediatamente repostos pelos átomos de metal que se difundem de dentro da rede, enquanto a estrutura de boro permanece inalterada, minimizando a perda de substâncias ativas de superfície.
Devido às vantagens acima, o LaB6 foi transformado em componentes eletrônicos em tecnologia moderna e amplamente utilizado nas indústrias civil e de defesa:
1) Catodos de emissão eletrônica. Devido ao baixo trabalho de escape de elétrons, materiais de cátodo com a maior corrente de emissão em temperaturas médias podem ser obtidos, especialmente monocristais de alta qualidade, que são materiais ideais para catodos de emissão de elétrons de alta potência.
2) Fonte de luz pontual de alto brilho.
3) Componentes de sistema de alta estabilidade e longa vida útil. Seu excelente desempenho abrangente permite sua aplicação em vários sistemas de feixe de elétrons, como gravação de feixe de elétrons, fontes de calor de feixe de elétrons, pistolas de soldagem de feixe de elétrons e aceleradores, para a produção de componentes de alto desempenho em campos de engenharia.
Preparação de LaB6
(1)Preparação do pó LaB6
1) Método de síntese de elementos puros
Este método é o método de pesquisa inicial, adequado para pesquisa de diagramas de fases, mas não adequado para aplicações práticas de produção.
2) Síntese de compostos contendo La e compostos contendo B
Este método é um método industrial e existem diferentes fórmulas de reação dependendo dos reagentes:
3) Redução de compostos La com B puro
(2)Preparação de materiais policristalinos LaB6
Os policristais LaB6 são geralmente preparados por métodos de sinterização e prensagem a quente. Em situações em que a amostra tem vazios, a sinterização só pode ser usada para preparação. Sinterização usando cadinhos LaB6, ZrB2 ou ZrC. Para evitar a infiltração de B, não é aconselhável usar o cadinho B. Geralmente sinterizado em uma atmosfera de hidrogênio. A pressão de prensagem a quente é de 400 atm, a temperatura é de 2000 graus e o tempo de espera é de 1-2 horas. O tamanho do tarugo é geralmente φ 100 mm × 30 mm.
(3)Preparação de cristal único LaB6
Atualmente, os métodos de preparação de monocristais podem ser resumidos como método de fusão por zona, método de solvente e método de fase gasosa.
1) Método de fusão por zona
O método de fusão por zona é o método mais comumente usado para preparar monocristais de boreto de terras raras. Ao usarLaB6como um material de radiação de eletrodo, é necessário preparar monocristais com alta pureza. Embora nenhuma relação exata tenha sido encontrada entre as impurezas em LaB6 e sua vida útil como um eletrodo emissor, quanto maior a pureza deLaB6, maior será sua vida útil. Portanto, preparar materiais de alta pureza é muito significativo.
Para preparar alta purezaLaB6, geralmente é adotado um método de fusão em zona de suspensão sem cadinho, protegido por gás inerte, conforme mostrado na Figura 2:
Figura 2 Diagrama esquemático do método de fusão por zona
Os métodos de fusão por zona para preparar monocristais incluem aquecimento por radiofrequência, aquecimento por feixe de elétrons, aquecimento por arco e aquecimento por feixe de laser.
2) Método do solvente
O método do solvente também é o método básico para a preparação de cristais únicosLaB6, que inclui dois métodos: método do solvente de alumínio e método do solvente de terras raras. Os dois são semelhantes, exceto que o último usa elementos de terras raras em vez de alumínio, como mostrado no diagrama abaixo:
Figura 3 Diagrama esquemático do método do solvente de alumínio
3) Método de precipitação em fase gasosa (CVD)
O método de precipitação em fase gasosa é o processo de usar substâncias gasosas para sofrer reações químicas na superfície de um material sólido, gerando depósitos sólidos. O diagrama esquemático de seu princípio é o seguinte:
Figura 4 Diagrama esquemático do princípio do método CVD
As fórmulas de reações químicas aplicáveis à produção de LaB6 pelo método CVD incluem:
A HNRE produziu com sucesso pó de LaB6 com uma pureza de mais de 99% por pré-tratamento de matérias-primas de carboneto de boro e purificação química do pó de LaB6. Também desenvolvemos um processo de sinterização de gradiente duplo de temperatura-pressão para blocos policristalinos de LaB6 de alta densidade. A densidade do volume policristalino é de mais de 95%, e o tamanho do grão é de cerca de 20 μm. Nosso cátodo oco feito de bloco policristalino de LaB6 tem as características de alta densidade de corrente de emissão, longa vida útil do cátodo e desempenho estável do cátodo.