专利名称：高纯纳米晶LaB的制作方法
技术领域：
本发明属于热电子发射阴极材料的制备技术领域，特别涉及一种原位合成高纯纳米晶LaB6块体材料的制备方法。
背景技术：
由于热电子发射阴极材料在广播、电视、工业感应加热等领域有着广泛和重要的应用，随着器件的高效化，对阴极材料的性能提出了更高要求，为此，人们进行了大量的研究与开发工作，已成为新型功能材料研究的热点之一。
稀土金属硼化物作为热电子发射材料越来越被人们所关注，特别是用LaB6制成的发射体，与普通高温阴极相比，具有更加优异的电子发射功能，如发射电流密度大、能在高场强和低真空条件下工作、熔点高、硬度大、化学稳定性好、抗中毒能力强、耐离子轰击等。LaB6材料在等离子体源、扫描电镜、电子束曝光机、俄歇谱仪及电子探针、加速器、电子分析谱仪等仪器中得到广泛应用。
由于LaB6材料的成份范围窄(B的质量分数为85.8％～88％)，因此要制备出符合化学计量比高性能的材料，难度很大。目前，工业上生产LaB6粉末的主要方法有硼热还原法、碳热还原法、熔盐电解法和金属还原法。在这些方法中，由于非常容易发生氧化生成金属氧化物、硼酸盐等副产物，从而大大影响LaB6的化学纯度，导致LaB6材料的发射性能显著下降。而且制备出来的LaB6材料晶粒粗大，晶粒尺寸一般在20-30um，抗弯强度只有70-90MPa，远小于单晶材料的理论强度值(250MPa)，从而大大限制了LaB6材料的广泛应用。而通过制备纳米晶的LaB6材料，有望利提高和改善LaB6材料力学性能，拓宽LaB6材料在航空航天技术领域的应用。
发明内容
针对上述研究现状，本发明开发了一种原位制备高纯度纳米晶粒LaB6材料的方法，目的在于获得高纯、纳米晶粒、高强度的LaB6块体材料。利用本发明制备的LaB6块体材料的平均晶粒尺寸为150nm左右，远小于目前已有方法制备的LaB6材料的晶粒尺寸，材料的最大抗弯强度达到249.59MPa，接近LaB6单晶材料的理论强度值。
本发明是一种原位制备高纯度纳米晶粒LaB6材料的方法，包括以下具体步骤(1)利用氢电弧等离子蒸发设备，以金属镧作为阳极，金属钨作为阴极，在氢气和氩气的混合气氛下，氢气和氩气体积比在0.2-0.8之间，总压力100-650torr范围，选择电弧电流50-150A，电弧电压20-40V，起弧时间0.5-2小时，将原料镧制备成氢化镧的纳米粉末；(2)将上述的氢化镧纳米粉末放入氩气保护的预处理室，与纳米级的硼粉按La元素和B元素的摩尔比为1∶6配置粉末，该粉末研磨均匀后装入石墨模具；(3)将装好粉末的石墨模具放入放电等离子烧结设备中进行烧结，烧结工艺为温度1150-1400℃，压力30-50MPa，升温速率80-120℃/min，保温2-10分钟；本发明提出的原位制备高纯度纳米晶粒LaB6块体材料的方法，所制备的LaB6块体材料的平均晶粒尺寸为150nm左右，远小于目前已有方法制备的LaB6材料的晶粒尺寸，材料的最大抗弯强度达到249.59MPa，接近LaB6单晶材料的理论强度值。
图1氢化镧纳米粉末形貌图(TEM照片)(实施例1)图2高纯LaB6块体材料的XRD图谱(实施例1)图3高纯LaB6块体的材料的显微组织图(断口SEM照片)(实施例1)图4高纯LaB6块体材料的XRD图谱(实施例2)图5高纯LaB6块体的材料的显微组织图(断口SEM照片)(实施例2)图6高纯LaB6块体材料的XRD图谱(实施例3)具体实施方式
实施例1将金属镧放入氢电弧等离子蒸发设备，以钨棒作阴极，块状金属镧作阳极。首先将真空室抽至10-4Pa，然后充入氢气和氩气的混合气体，氢气和氩气体积比为0.2，总压力100torr。接通直流电源，控制反应电流在50A左右，电弧电压20V，点弧0.5小时，将原料镧块制备成氢化镧纳米粉末。在高纯氩气保护的预处理室(氧浓度低于0.5ppm)，将氢化镧纳米粉末与硼粉按La元素和B元素的摩尔比为1∶6配置粉末，在玛瑙研磨中研磨30分钟，将研磨好的粉末装入石墨模具，放入放电等离子烧结设备中(型号SPS-5.40-IV/ET)烧结成LaB6块体材料。烧结工艺为温度1150℃，压力30MPa，升温速率80℃/min，保温时间2分钟，气氛为真空。所制备的氢化镧纳米粉末形貌如图1所示，烧结LaB6块体材料的XRD图谱如图2所示，纯度高，为单一的LaB6相。该LaB6块体材料的平均晶粒尺寸为150nm左右(图3所示)。采用三点弯实验方法，测出其抗弯强度为249.59MPa。
实施例2将金属镧放入氢电弧等离子蒸发设备，以钨棒作阴极，块状金属镧作阳极。首先将真空室抽至10-4Pa，然后充入氢气和氩气的混合气体，氢气和氩气体积比为0.6，总压力300torr。接通直流电源，控制反应电流在100A左右，电弧电压30V，点弧1小时，将原料镧块制备成氢化镧纳米粉末。在高纯氩气保护的预处理室(氧浓度低于0.5ppm)，将氢化镧纳米粉末与硼粉按La元素和B元素的摩尔比为1∶6配置粉末，在玛瑙研磨中研磨45分钟，将研磨好的粉末装入石墨模具，放入放电等离子烧结设备中(型号SPS-5.40-IV/ET)烧结成LaB6块体材料。烧结工艺为温度1300℃，压力40MPa，升温速率100℃/min，保温时间5分钟，气氛为真空。所制备的LaB6块体材料的XRD图谱如图4所示，纯度高，为单一的LaB6相。该LaB6块体材料的平均晶粒尺寸为150nm左右(图5所示)。采用三点弯实验方法，测出其抗弯强度为229.32MPa。
实施例3将金属镧放入氢电弧等离子蒸发设备，以钨棒作阴极，块状金属镧作阳极。首先将真空室抽至10-4Pa，然后充入氢气和氩气的混合气体，氢气和氩气体积比为0.8，总压力650torr。接通直流电源，控制反应电流在150A左右，电弧电压40V，点弧2小时，将原料镧块制备成氢化镧纳米粉末。在高纯氩气保护的预处理室(氧浓度低于0.5ppm)，将氢化镧纳米粉末与硼粉按La元素和B元素的摩尔比为1∶6配置粉末，在玛瑙研磨中研磨60分钟，将研磨好的粉末装入石墨模具，放入放电等离子烧结设备中(型号SPS-5.40-IV/ET)烧结成LaB6块体材料。烧结工艺为温度1400℃，压力50MPa，升温速率120℃/min，保温时间10分钟，气氛为真空。所制备的LaB6块体材料的XRD图谱如图6所示，纯度高，为单一的LaB6相。采用三点弯实验方法，测出其抗弯强度为220.23MPa。
权利要求
1.一种原位合成高纯纳米晶LaB6块体材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤1)利用氢电弧等离子蒸发设备，以金属镧作为阳极，金属钨作为阴极，在氢气和氩气的混合气氛下，氢气和氩气体积比在0.2-0.8之间，总压力100-650torr范围，选择电弧电流50-150A，电弧电压20-40V，起弧时间0.5-2小时，将原料镧块制备成氢化镧的纳米粉末；2)将上述的氢化镧纳米粉末放入氩气体保护的预处理室，与纳米级的硼粉按La元素和B元素的摩尔比为1∶6配置粉末，该粉末研磨均匀后装入石墨模具；3)将装好粉末的石墨模具放入放电等离子烧结设备中进行烧结，烧结工艺为温度为1150-1400℃，压力为30-50MPa，升温速率为80-120℃/min，保温2-10分钟。
全文摘要
一种原位合成高纯纳米晶LaB
文档编号C01B35/04GK1896001SQ20061001229
公开日2007年1月17日 申请日期2006年6月16日 优先权日2006年6月16日
发明者张久兴, 曾宏, 周身林, 刘丹敏, 岳明, 左铁镛 申请人:北京工业大学