Nasılileyüksek hazırlıkverim lantanyum heksaborit (LaB6)
Lantan hekzaborür (LaB6), şu anda düşük kaçış işi, iyi kimyasal kararlılık, yüksek erime noktası, yüksek sertlik, yüksek emisyon akım yoğunluğu ve iyon bombardımanına karşı güçlü direnç özelliklerine sahip en iyi sıcak katot malzemesi olarak kabul edilmektedir. LaB6 geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir ve radar, havacılık, elektronik endüstrisi vb. gibi 20'den fazla askeri ve yüksek teknoloji alanında başarıyla kullanılmıştır. Ürün serisi esas olarak üç çeşit toz, polikristal ve tek kristal içerir. Özellikle, lantan hekzaborür tek kristal, yüksek güçlü elektron tüpü, magnetron, elektron ışını, iyon ışını ve hızlandırıcı katot yapmak için en iyi malzemedir.
Fiziksel ve kimyasal özellikleri LaB6
Lantan hekzaborürün varlık aralığı: B %85,0 (ağırlıkça) içerdiğinde mor, B %88 içerdiğinde mavi; Yoğunluğu 4,7 g/cm3, oda sıcaklığı direnci 15-27 μΩ, Vickers sertliği 27,7 GPa, işlevi 2,66 eV, emisyon sabiti 29A/cm2·K2.
Lantan hekzaborür opaktır ve kuruduğunda açık kırmızımsı mor, nemliyken ise koyu kırmızı görünür. Lantan hekzaborür, Şekil 1'de gösterildiği gibi kübik bir kristal yapıya sahiptir:
Şekil 1 LaB6'nın kristal yapısı
Şekilden, lantan hekzaborürün kübik kristalinin yapısal özelliklerinin şu şekilde olduğu görülebilir:
1) Bor atomları, daha büyük lantan atomlarını içeren üç boyutlu kübik bir çerçeve yapısı oluşturur.
2) Bor iskeleti bir oktahedrondur ve küpün her bir köşesinde, köşeleriyle birbirine bağlı bir bor atomik iskeletin oluşturduğu bir oktahedron bulunur.
3) Her bor atomu, dördü oktahedron içinde ve biri küpün ana eksenlerinden birinin yönünde olmak üzere beş bor atomuna komşudur, böylece koordinasyon sayısı 5 olan homopolar bir kafes yapısı elde edilir.
4) Her bor atomunun beş bağa ait üç değerlik elektronu vardır.
5) Bir bor kafesinde hapsolmuş metal atomlarının koordinasyon sayısı 24'tür.
Borürlerin kristal yapısı onların benzersiz özelliklerini belirler:
1) Bor atomları arasındaki kuvvetli bağ kuvvetinden dolayı (örgü sabiti 4.145 Å), ergime noktası 2210 derece olan refrakter bir bileşiktir.
2)Oda sıcaklığında sadece nitrik asit ve kral suyu ile reaksiyona girer; Oksijen ise ancak 600-700 derecede oksidasyona uğrar.
3) Belirli bir sıcaklık aralığında genleşme katsayısı sıfıra yaklaşır.
4) Vakum ısıl işlemi ile kullanım esnasında havadaki iyi stabilite ve yüzey kirliliği tekrar sağlanabilir.
5) İyon bombardımanına karşı iyi direnç ve yüksek alan şiddetine dayanabilme.
6) Metal atomları ile bor atomları arasında valans bağlarının bulunmaması nedeniyle metal atomlarının valans elektronları serbesttir. Bu nedenle borürler yüksek iletkenliğe sahiptir ve lantan hekzaborürün direnci metalik kurşunun direnciyle hemen hemen aynıdır. Direncinin sıcaklık katsayısı pozitiftir.
7) Heksaboridlerin yüksek sıcaklıklarda refrakter metallerle temas etmesine izin verilirse, bor metalin kafesine yayılacak ve metalle aralıklı bor alaşımları oluşturacaktır. Aynı zamanda, bor iskeleti çökecek ve metal atomlarının buharlaşmasına izin verecektir.
8) Borürler belirli bir sıcaklığa kadar ısıtıldığında, kristalin yüzeyindeki metal atomları buharlaşır, ancak kafesin içinden yayılan metal atomları tarafından hemen yenilenir, bor iskeleti değişmeden kalır ve böylece yüzey aktif maddelerinin kaybı en aza indirilir.
Yukarıda belirtilen avantajlarından dolayı LaB6, modern teknolojide elektronik bileşen haline getirilmekte ve sivil ve savunma sanayinde yaygın olarak kullanılmaktadır:
1) Elektronik emisyon katotları. Düşük elektron kaçış işi nedeniyle, orta sıcaklıklarda en yüksek emisyon akımına sahip katot malzemeleri, özellikle yüksek güçlü elektron emisyon katotları için ideal malzemeler olan yüksek kaliteli tek kristaller elde edilebilir.
2) Yüksek parlaklıkta noktasal ışık kaynağı.
3) Yüksek stabilite ve uzun ömürlü sistem bileşenleri. Mükemmel kapsamlı performansı, mühendislik alanlarında yüksek performanslı bileşenlerin üretimi için elektron ışını gravürü, elektron ışını ısı kaynakları, elektron ışını kaynak tabancaları ve hızlandırıcılar gibi çeşitli elektron ışını sistemlerinde uygulanmasını sağlar.
Hazırlanması LaB6
(1) LaB6 tozunun hazırlanması
1) Saf element sentez yöntemi
Bu yöntem başlangıç araştırma yöntemi olup faz diyagramı araştırmaları için uygundur ancak pratik üretim uygulamaları için uygun değildir.
2) La içeren bileşiklerin ve B içeren bileşiklerin sentezi
Bu yöntem endüstriyel bir yöntem olup, tepkime maddelerine bağlı olarak farklı reaksiyon formülleri mevcuttur:
3) Saf B ile La bileşiklerinin indirgenmesi
(2) LaB6 polikristalin malzemelerin hazırlanması
LaB6 polikristalleri genellikle sinterleme ve sıcak presleme yöntemleriyle hazırlanır. Numunenin boşlukları olduğu durumlarda, sinterleme yalnızca hazırlama için kullanılabilir. LaB6, ZrB2 veya ZrC pota kullanılarak sinterleme. B'nin sızmasını önlemek için B pota kullanılması önerilmez. Genellikle hidrojen atmosferinde sinterlenir. Sıcak presleme basıncı 400 atm, sıcaklık 2000 derece ve tutma süresi 1-2 saattir. Kütüğün boyutu genellikle φ 100mm × 30mm'dir.
(3)LaB6 Tek Kristalinin Hazırlanması
Günümüzde tek kristal hazırlama yöntemleri; bölge eritme yöntemi, çözücü yöntemi ve gaz fazı yöntemi olarak özetlenebilir.
1) Bölge eritme yöntemi
Bölge eritme yöntemi, nadir toprak borür tek kristallerini hazırlamak için en yaygın kullanılan yöntemdir. KullanıldığındaLaB6bir elektrot radyasyon malzemesi olarak, yüksek saflıkta tek kristaller hazırlamak gerekir. LaB6'daki safsızlıklar ile bir yayıcı elektrot olarak hizmet ömrü arasında kesin bir ilişki bulunmamış olsa da, saflığı ne kadar yüksekseLaB6, hizmet ömrü ne kadar uzun olursa. Bu nedenle, yüksek saflıkta malzemeler hazırlamak çok anlamlıdır.
Yüksek saflıkta hazırlamak içinLaB6, genellikle Şekil 2'de gösterildiği gibi, inert gazla korunan bir pota olmaksızın bir süspansiyon bölgesi eritme yöntemi benimsenir:
Şekil 2 Bölge eritme yönteminin şematik diyagramı
Tek kristallerin hazırlanmasında kullanılan bölge eritme yöntemleri arasında radyo frekansı ısıtma, elektron demeti ısıtma, ark ısıtma ve lazer demeti ısıtma yer almaktadır.
2) Çözücü yöntemi
Çözücü yöntemi aynı zamanda tek kristal hazırlamanın temel yöntemidirLaB6, iki yöntem içerir: alüminyum çözücü yöntemi ve nadir toprak çözücü yöntemi. İkisi benzerdir, ancak ikincisinde aşağıdaki diyagramda gösterildiği gibi alüminyum yerine nadir toprak elementleri kullanılır:
Şekil 3 Alüminyum çözücü yönteminin şematik diyagramı
3) Gaz fazı çökeltme (CVD) yöntemi
Gaz fazı çökeltme yöntemi, katı bir malzemenin yüzeyinde kimyasal reaksiyonlara girmek için gaz halindeki maddelerin kullanılması ve katı tortular oluşturulması işlemidir. İlkesinin şematik diyagramı aşağıdaki gibidir:
Şekil 4 CVD yöntemi ilkesinin şematik diyagramı
CVD yöntemi ile LaB6 üretiminde uygulanabilecek kimyasal reaksiyon formülleri şunlardır:
HNRE, bor karbür hammaddelerinin ön işlemi ve LaB6 tozunun kimyasal saflaştırılması yoluyla %99'dan daha fazla saflıkta LaB6 tozu üretmeyi başardı. Ayrıca, yüksek yoğunluklu LaB6 polikristalin bloklar için bir sıcaklık-basınç çift gradyan sinterleme süreci geliştirdik. Polikristalin yığının yoğunluğu %95'ten fazladır ve tane boyutu yaklaşık 20 μm'dir. LaB6 polikristal bloktan yapılmış içi boş katodumuzun yüksek emisyon akım yoğunluğu, uzun katot ömrü ve kararlı katot performansı özellikleri vardır.