Bagaimanakepersiapkan tinggipertunjukan lantanum heksaborida (LaB6)
Lantanum heksaborida (LaB6) dikenal sebagai bahan katode panas terbaik saat ini, yang memiliki karakteristik kerja lepas rendah, stabilitas kimia baik, titik leleh tinggi, kekerasan tinggi, kerapatan arus emisi tinggi, dan ketahanan kuat terhadap pemboman ion. LaB6 memiliki berbagai macam aplikasi, dan telah berhasil digunakan di lebih dari 20 bidang militer dan teknologi tinggi, seperti radar, kedirgantaraan, industri elektronik, dll. Rangkaian produknya terutama mencakup tiga jenis bubuk, polikristal, dan kristal tunggal. Secara khusus, kristal tunggal lantanum heksaborida adalah bahan terbaik untuk membuat tabung elektron berdaya tinggi, magnetron, berkas elektron, berkas ion, dan katode akselerator.
Sifat Fisika dan Kimia B6 cair
Kisaran keberadaan lantanum heksaborida: mengandung B 85,8%, berwarna ungu jika mengandung B 85,8%, dan berwarna biru jika mengandung B 88%; Kepadatannya 4,7 g/cm3, resistansi suhu ruangan adalah 15-27 μΩ, kekerasan Vickers adalah 27,7 GPa, fungsi kerja adalah 2,66 eV, konstanta emisi adalah 29A/CM2·K2.
Lantanum heksaborida bersifat buram dan tampak berwarna ungu kemerahan muda saat kering, dan merah tua saat lembap. Lantanum heksaborida memiliki struktur kristal kubik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1:
Gambar 1 Struktur kristal LaB6
Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa ciri-ciri struktur kristal kubik lantanum heksaborida adalah:
1) Atom boron membentuk struktur kerangka kubik tiga dimensi, mengandung atom lantanum yang lebih besar.
2) Rangka boron merupakan suatu oktahedron, dan pada setiap titik sudut kubus terdapat oktahedron yang dibentuk oleh rangka atom boron, yang dihubungkan satu sama lain oleh titik sudutnya.
3) Setiap atom boron berdekatan dengan lima atom boron, empat di dalam oktahedronnya dan satu di arah salah satu sumbu utama kubus, sehingga memberikan struktur kisi homopolar dengan bilangan koordinasi 5.
4) Setiap atom boron memiliki tiga elektron valensi yang ditetapkan pada lima ikatan.
5) Jumlah koordinasi atom logam yang terperangkap dalam kisi boron adalah 24.
Struktur kristal borida menentukan sifat uniknya:
1) Karena gaya ikatan yang kuat antara atom-atom boron (konstanta kisi 4,145 Å), ia merupakan senyawa tahan api dengan titik leleh 2210 derajat.
2)Pada suhu kamar, ia hanya bereaksi dengan asam nitrat dan aqua regia; Oksigen hanya mengalami oksidasi pada derajat 600-700.
3) Dalam rentang suhu tertentu, koefisien ekspansi mendekati nol.
4) Stabilitas yang baik di udara, dan kontaminasi permukaan selama penggunaan dapat dipulihkan melalui perlakuan panas vakum.
5) Ketahanan yang baik terhadap pemboman ion dan mampu menahan kekuatan medan tinggi.
6) Karena tidak adanya ikatan valensi antara atom logam dan atom boron, elektron valensi atom logam bebas. Jadi borida memiliki konduktivitas yang tinggi, dan resistansi lantanum heksaborida kira-kira sama dengan timbal logam. Koefisien suhu resistivitasnya positif.
7) Jika heksaborida dibiarkan bersentuhan dengan logam tahan api pada suhu tinggi, boron akan berdifusi ke dalam kisi logam dan membentuk paduan boron interstisial dengan logam. Pada saat yang sama, kerangka boron akan runtuh, yang memungkinkan atom logam menguap.
8) Ketika borida dipanaskan hingga suhu tertentu, atom-atom logam pada permukaan kristal menguap, tetapi segera diisi ulang oleh atom-atom logam yang berdifusi dari dalam kisi, sementara kerangka boron tetap tidak berubah, meminimalkan hilangnya zat aktif permukaan.
Karena keunggulan di atas, LaB6 telah dibuat menjadi komponen elektronik dalam teknologi modern dan banyak digunakan dalam industri sipil dan pertahanan:
1) Katoda emisi elektron. Karena kerja pelepasan elektron yang rendah, material katoda dengan arus emisi tertinggi pada suhu sedang dapat diperoleh, terutama kristal tunggal berkualitas tinggi, yang merupakan material ideal untuk katoda emisi elektron berdaya tinggi.
2) Sumber cahaya titik kecerahan tinggi.
3) Komponen sistem dengan stabilitas tinggi dan masa pakai yang panjang. Performa komprehensifnya yang luar biasa memungkinkan penerapannya dalam berbagai sistem berkas elektron, seperti pengukiran berkas elektron, sumber panas berkas elektron, senjata las berkas elektron, dan akselerator, untuk produksi komponen berkinerja tinggi di bidang teknik.
Persiapan untuk B6 cair
(1)Persiapan bubuk LaB6
1) Metode sintesis unsur murni
Metode ini merupakan metode penelitian awal, cocok untuk penelitian diagram fase, tetapi tidak cocok untuk aplikasi produksi praktis.
2) Sintesis senyawa yang mengandung La dan senyawa yang mengandung B
Metode ini merupakan metode industri, dan terdapat rumus reaksi yang berbeda tergantung pada reaktannya:
3) Mengurangi senyawa La dengan B murni
(2)Persiapan bahan polikristalin LaB6
Polikristal LaB6 umumnya disiapkan dengan metode sintering dan pengepresan panas. Dalam situasi di mana sampel memiliki rongga, sintering hanya dapat digunakan untuk persiapan. Sintering menggunakan wadah LaB6, ZrB2, atau ZrC. Untuk mencegah infiltrasi B, tidak disarankan untuk menggunakan wadah B. Biasanya disinter dalam atmosfer hidrogen. Tekanan pengepresan panas adalah 400 atm, suhunya 2000 derajat, dan waktu penahanannya 1-2 jam. Ukuran billet umumnya φ 100mm × 30mm.
(3)Persiapan Kristal Tunggal LaB6
Saat ini, metode persiapan kristal tunggal dapat diringkas sebagai metode peleburan zona, metode pelarut, dan metode fase gas.
1) Metode peleburan zona
Metode peleburan zona adalah metode yang paling umum digunakan untuk menyiapkan kristal tunggal borida tanah jarang. Saat menggunakanB6 cairsebagai bahan radiasi elektroda, perlu disiapkan kristal tunggal dengan kemurnian tinggi. Meskipun belum ditemukan hubungan pasti antara pengotor dalam LaB6 dan masa pakainya sebagai elektroda pemancar, semakin tinggi kemurniannyaB6 cair, semakin lama masa pakainya. Oleh karena itu, menyiapkan material dengan kemurnian tinggi sangatlah penting.
Untuk menyiapkan kemurnian tinggiB6 cair, metode peleburan zona suspensi tanpa wadah peleburan umumnya diadopsi, dilindungi oleh gas inert, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2:
Gambar 2 Diagram skema metode peleburan zona
Metode peleburan zona untuk menyiapkan kristal tunggal meliputi pemanasan frekuensi radio, pemanasan sinar elektron, pemanasan busur, dan pemanasan sinar laser.
2) Metode pelarut
Metode pelarut juga merupakan metode dasar untuk menyiapkan kristal tunggalB6 cair, yang mencakup dua metode: metode pelarut aluminium dan metode pelarut tanah jarang. Keduanya serupa, kecuali bahwa metode yang terakhir menggunakan unsur tanah jarang sebagai pengganti aluminium, seperti yang ditunjukkan pada diagram di bawah ini:
Gambar 3 Diagram skema metode pelarut aluminium
3) Metode presipitasi fase gas (CVD)
Metode presipitasi fasa gas adalah proses penggunaan zat gas untuk mengalami reaksi kimia pada permukaan material padat, sehingga menghasilkan endapan padat. Diagram skematis prinsipnya adalah sebagai berikut:
Gambar 4 Diagram skema prinsip metode CVD
Rumus reaksi kimia yang berlaku untuk produksi LaB6 dengan metode CVD meliputi:
HNRE telah berhasil membuat bubuk LaB6 dengan kemurnian lebih dari 99% melalui praperlakuan bahan baku boron karbida dan pemurnian kimia bubuk LaB6. Kami juga telah mengembangkan proses sintering gradien ganda suhu-tekanan untuk blok polikristalin LaB6 dengan kepadatan tinggi. Kepadatan polikristalin lebih dari 95%, dan ukuran butiran sekitar 20 μm. Katoda berongga kami yang terbuat dari blok polikristalin LaB6 memiliki karakteristik kepadatan arus emisi tinggi, masa pakai katoda yang lama, dan kinerja katoda yang stabil.