Помощь студентам в учебе
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЭМИССИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ГЕКСАБОРИДА ЛАНТАНА В РЕЖИМЕ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА ПРИ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ШИХТЫ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Эмиссионные материалы на основе гексаборида лантана: свойства, синтез, применение 12
1.1 Эмиттеры установок, генерирующих конденсированные потоки
излучения 12
1.2 Эмиссионные материалы на основе боридов 20
1.3 Технология получения гексаборида лантана 26
1.4 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез, как
технология для получения гексаборида лантана 32
1.5 Постановка цели и задач исследования 36
Глава 2. Характеристика исходных материалов, методы исследования и техника эксперимента, методология работы 38
2.1. Характеристика исходных материалов 38
2.2. Оборудование и режимы СВ-синтеза гексаборида лантана 38
2.2.1. Технология СВС для синтеза гексаборида лантана 38
2.3. Методы исследования свойств материалов на основе LaB6, полученных
в режиме СВС 43
2.3.1. Методика определения распределения частиц по размерам 43
2.3.2. Методика определения площади удельной поверхности
компонентов шихты реагентов 46
2.3.3. Методика рентгенофазового анализа 53
2.3.4. Электронно-спектрометрический анализ 57
2.4. Методология работы 58
Глава 3. Физико-химические процессы синтеза гексаборида лантана 60
в СВС-режиме 60
3.1. Влияние плотности исходной системы на синтез гексаборида лантана в
СВС-режиме 62
3.2. Влияние температуры предварительного подогрева образцов на синтез
гексаборида лантана 67
3.3. Влияние механической активации шихты на синтез гексаборида
лантана 72
3.3.1. Процессы, протекающие в шихте при механической обработке .... 74
3.3.2. Синтез гексаборида лантана из механически активированной шихты
86
3.4. Физико-химические характеристики гексаборида лантана, полученного
методом СВС 92
Глава 4. Технология получения высокоэмиссионных материалов 97
СВС-методом 97
4.1. Методики определения эмиссионных свойств катодных материалов .. 97
4.2. Эмиссионные свойства гексаборида лантана, полученного методом
СВС 99
4.3. Технология получения гексаборида лантана методом СВС для использования в ускорительной технике 104
Заключение 109
Основные выводы 111
Список литературы 113
Глава 1. Эмиссионные материалы на основе гексаборида лантана: свойства, синтез, применение 12
1.1 Эмиттеры установок, генерирующих конденсированные потоки
излучения 12
1.2 Эмиссионные материалы на основе боридов 20
1.3 Технология получения гексаборида лантана 26
1.4 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез, как
технология для получения гексаборида лантана 32
1.5 Постановка цели и задач исследования 36
Глава 2. Характеристика исходных материалов, методы исследования и техника эксперимента, методология работы 38
2.1. Характеристика исходных материалов 38
2.2. Оборудование и режимы СВ-синтеза гексаборида лантана 38
2.2.1. Технология СВС для синтеза гексаборида лантана 38
2.3. Методы исследования свойств материалов на основе LaB6, полученных
в режиме СВС 43
2.3.1. Методика определения распределения частиц по размерам 43
2.3.2. Методика определения площади удельной поверхности
компонентов шихты реагентов 46
2.3.3. Методика рентгенофазового анализа 53
2.3.4. Электронно-спектрометрический анализ 57
2.4. Методология работы 58
Глава 3. Физико-химические процессы синтеза гексаборида лантана 60
в СВС-режиме 60
3.1. Влияние плотности исходной системы на синтез гексаборида лантана в
СВС-режиме 62
3.2. Влияние температуры предварительного подогрева образцов на синтез
гексаборида лантана 67
3.3. Влияние механической активации шихты на синтез гексаборида
лантана 72
3.3.1. Процессы, протекающие в шихте при механической обработке .... 74
3.3.2. Синтез гексаборида лантана из механически активированной шихты
86
3.4. Физико-химические характеристики гексаборида лантана, полученного
методом СВС 92
Глава 4. Технология получения высокоэмиссионных материалов 97
СВС-методом 97
4.1. Методики определения эмиссионных свойств катодных материалов .. 97
4.2. Эмиссионные свойства гексаборида лантана, полученного методом
СВС 99
4.3. Технология получения гексаборида лантана методом СВС для использования в ускорительной технике 104
Заключение 109
Основные выводы 111
Список литературы 113
Актуальность темы
В настоящее время устройства, генерирующие конденсированные потоки электронов, находят все большее применение в различных областях науки и техники. Повышение эффективности работы таких устройств во многом связано с использованием в качестве катодов новых, более совершенных материалов, способных работать в жестких условиях эксплуатации. В большинстве случаев стабильность работы катода определяется выбором материала. Среди большого количества материалов, использующихся в катодной технике, необходимо выделить гексаборид лантана, обладающий более низкой работой выхода и высокой температурой плавления, а также повышенной устойчивостью в агрессивных средах по сравнению с традиционными катодными материалами.
Для получения лантан-борсодержащих материалов с необходимым набором физико-химических характеристик и функциональных свойств параметры исходных компонентов должны быть тщательно оптимизированы. Существует достаточно большое количество способов получения гексаборида лантана, которые сопровождаются сложными технологическими процессами получения и дальнейшей обработки изделия.
Метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) является одним из предпочтительных для синтеза катодных материалов, благодаря ряду преимуществ: высокая чистота конечного продукта, низкое энергопотребление, возможность управления процессом на всех этапах синтеза. Среди эффективных способов управления реакциями СВ-синтеза выделяют способы управления на стадии подготовки шихты. На базе Томского политехнического университета проводились исследования по синтезу гексаборида лантана в режиме СВС с использованием управления горения путем добавления в систему экзотермических добавок. Одним из перспективных методов интенсификации процессов синтеза является метод механической активации, как один из наиболее просто реализуемых и обеспечивающих все необходимые параметры исходной смеси компонентов (размер частиц, гомогенность системы и т.д.).
Актуальность работы заключается в необходимости проведения комплексных исследований процессов синтеза лантан-борсодержащих материалов из компонентов, предварительно подверженных механической активации. Разработка физико-химических основ технологии получения таких материалов позволит целенаправленно создавать изделия со стабильными эксплуатационными характеристиками. Указанные выше подходы к разработке высокоэмиссионных материалов из гексаборида лантана отражают достигнутый уровень и степень разработанности проблемы.
Разработанность темы
Процессы получения функциональных материалов методом СВС достаточно глубоко изучали российские и зарубежные ученые в области технологического горения - А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская, Р. Тенне, Ф.Алдингер, Р.Кахн, В.И. Юхвид, Ю.М. Максимов, В.Борзыкин, A. С.Рогачев, А.М. Амосов, Е.А.Левашов, А.С.Мукасьян, С.Ю.Шаривкер, B. И.Яковлев.
Высокоэмиссионные материалы на основе гексаборида лантана могут найти широкое применение в областях науки и техники, связанных с использованием конденсированных потоков энергии. Вместе с тем эксплуатационные особенности применения керамических эмиссионных материалов, полученных в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, требуют нового научного решения при разработке способов управления синтезом, для обеспечения монофазности готового продукта для обеспечения наилучших эмиссионных параметров катодного узла.
Таковым решением может быть использование способов управления реакцией синтеза на стадии подготовки исходной шихты. Способы управления систем подобного состава недостаточно изучены, поэтому существует необходимость в изучении физико-химических процессов, протекающих при синтезе материалов на основе гексаборида лантана, и в разработке технологии получения эмиссионных материалов на основе гексаборида лантана с их применением.
Объект исследования- высокоэмиссионные керамические материалы на основе гексаборида лантана, полученные СВС-методом.
Предмет исследования- физико-химические процессы структурообразования керамических высокоэмиссионных материалов на основе гексаборида лантана при СВ-синтезе после механической обработки шихты реагентов.
Цель работы:разработка технологии получения высокоэмиссионных материалов на основе гексаборида лантана методом СВС при механической активации шихты.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование процессов фазообразования при синтезе гексаборида лантана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
2. Исследование влияния механической активации на параметры исследуемой шихты оксид лантана (III) -бор.
3. Исследование температурно-скоростных режимов СВС в системе La2O3-B от параметров механической активации шихты.
4. Разработка технологии получения гексаборида лантана в режиме СВС на основе исследования структурно-фазовых свойств синтезированного материала.
5. Экспериментальное исследование эмиссионных характеристик гексаборида лантана при его использовании в узлах генерации ускорителей электронов.
Научная новизна
1. Установлено, что при синтезе гексаборида лантана СВС методом без применения экзотермических добавок, из-за низкого энергетического выхода системы, продукт реакции является многофазным: LaBO3(борат лантана), B2O3(оксид бора), La2O3(оксид лантана), с содержанием целевой фазы LaB6(гексаборида лантана) 25 масс.%.
2. Установлено, что использование механической активации шихты La2O3(оксид лантана)- B (бор) повышает реакционную способность системы: при достижении минимального среднечисленного размера частиц шихты 2,52 мкм, в режиме обработки 20 Гц-15 минут, наблюдается максимальная температура реакции синтеза 1800 К, что подтверждается корреляционными зависимостями линейного характера между параметрами механической активации и максимальной температурой реакции горения. Механическая активация шихты при ускорении мелющих тел более 60g приводит к наклепыванию частиц друг на друга и образованию продуктов реакции в процессе активации, что ухудшает реакционную способность системы и снижает выход целевой фазы.
3. Установлено, что эмиссионные параметры катодного узла определяются структурой продукта СВ-синтеза. Полученная композиция с содержанием гексаборида лантана 95 масс.% проявляет большую стабильность электронного пучка и увеличенную величину выведенной энергии по сравнению с традиционными односоставными катодами, вследствие улучшенной поверхностной плотности (4-106см-2) параметров микроострий поверхности (5-15 мкм).
Теоретическая значимость работы
Расширены представления о процессах СВ-синтеза лантан- борсодержащих материалов с учетом различных способов управления реакцией синтеза. Обобщены знания о термодинамическом поведении, фазовом составе и функциональных свойствах синтезируемой системы в зависимости от морфологических характеристик шихты компонентов оксид лантана-бор после механической активации.
Практическая значимость работы
1. Разработана технология получения высокоэмиссионных материалов на основе гексаборида лантана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с применением предварительной механоактивации шихты. Использование технологии позволяет получить гексаборид лантана в виде изделия, пригодного для использования в ускорительной технике без дополнительных операций, в отличии от традиционных режимов проведения СВС.
2. Разработана технология получения катодных материалов на основе синтезированного методом СВС гексаборида лантана, обладающих повышенными эмиссионными характеристиками (увеличение выведенной энергии и стабильности электронного пучка) по сравнению с традиционными односоставными катодами.
Результаты исследования используются в учебном процессе в Национальном Исследовательском Томском Политехническом Университете при подготовке выпускных квалификационных работ и магистерских диссертаций студентов, обучающихся по направлению «Ядерные физика и технологии».
По результатам работы был получен патент РФ № 2014119077/02 «Способ получения материала, содержащего гексаборид лантана и диборид титана».
Методология и методы исследования
Методология диссертационного исследования включает анализ гранулометрического и фазового состава исходных порошков, а также смесей на их основе; анализ термодинамических параметров реакции СВ- синтеза; оптимизацию параметров смеси и исследование ее морфологических свойств; исследование параметров синтезированных образцов, конструирование и апробация в режиме реальной эксплуатации катодного узла на основе синтезированного гексаборида лантана; анализ полученных данных.
Экспериментальные исследования по теме диссертации выполнялись с использованием современных методов и аналитического оборудования (дифрактометр Shimadzu XRD - 6000, электронный микроскоп JEM-100CXII с растровой приставкой ACID- 4D и растровые электронные микроскопы марки Jeol SM - 894 и PHILIPS SEM 515, лазерная установка для измерения размера частиц Fritsch Analysette 22 MicroTec plus, прибор для анализа удельной поверхности частиц СОРБИ-М), технологического оборудования, лабораторных установок и методик проведения экспериментов, дающих адекватные результаты. Механическую активацию проводили с использованием планетарной шаровой мельницы АГО-2С. Испытание эмиссионных свойств полученных образцов проводили на генераторе импульсных напряжений ОМЕГА-350.
Положения, выносимые на защиту:
1. Закономерности процесса горения системы оксид лантана - бор после изменения начальных параметров системы (плотность образца, температура предварительного подогрева), при которых не достигается необходимых термодинамических параметров синтеза для получения монофазного продукта (содержание гексаборида лантана 45 масс.%).
2. Физико-химические процессы (изменение морфологических параметров, увеличение запасенной энергии системы), сопровождающие процесс механической активации шихты оксид лантана - бор, а так же их влияние на температурно-скоростные режимы протекания СВ-синтеза.
Степень достоверности и апробация результатов работы
Достоверность и обоснованность экспериментальных данных, полученных в диссертационной работе, обеспечивается проведением исследований с использованием современного аналитического и технологического оборудования, применением комплексных методов исследования материалов.
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и симпозиумах регионального, всероссийского и международного уровней: Высокие технологии,
исследования, образование, экономика; Международное совещание «Получение новых материалов с использованием процессов горения и взрыва» (2 - 8 мая 2011, Светлогорск, Калининградская область, Россия); Сборник статей 14-й международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике" (Санкт-Петербург, 4-5 Декабря 2012); Современные проблемы технической физики: Сборник тезисов и докладов всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи, (Томск, 14-16 Ноября 2011); I, II, III, IV Всероссийская научно-практической конференции молодых атомщиков Сибири: Ядерная энергетика - технология, безопасность, экология, экономика, управление (Томск, 2010, 2011, 2012, 2013); IV Всероссийская конференция студентов Элитного технического образования «Ресурсоэффективным технологиям - энергию и энтузиазм молодых», (Томск, 24-27 апреля 2013 г); Десятая всероссийская с международным участием школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых», (21-23 ноября 2012 г., г. Черноголовка); Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Современные проблемы технической физики», (г. Томск 2011).
Личный вклад автора
Проработка литературы по теме диссертации и участие в обсуждении планов экспериментальных исследований. Синтез и подготовка опытных образцов для экспериментальных исследований. Обработка результатов рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализа исходных реагентов и синтезированных образцов. Участие в обсуждении полученных результатов, оформление и подготовка их к публикации.
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 23 работах, включая 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 19 публикаций в сборниках Международных и Российских конференций, получен 1 патент Российской Федерации.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 143 источников и приложений. Работа изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 13 таблиц и 53 рисунков.
В настоящее время устройства, генерирующие конденсированные потоки электронов, находят все большее применение в различных областях науки и техники. Повышение эффективности работы таких устройств во многом связано с использованием в качестве катодов новых, более совершенных материалов, способных работать в жестких условиях эксплуатации. В большинстве случаев стабильность работы катода определяется выбором материала. Среди большого количества материалов, использующихся в катодной технике, необходимо выделить гексаборид лантана, обладающий более низкой работой выхода и высокой температурой плавления, а также повышенной устойчивостью в агрессивных средах по сравнению с традиционными катодными материалами.
Для получения лантан-борсодержащих материалов с необходимым набором физико-химических характеристик и функциональных свойств параметры исходных компонентов должны быть тщательно оптимизированы. Существует достаточно большое количество способов получения гексаборида лантана, которые сопровождаются сложными технологическими процессами получения и дальнейшей обработки изделия.
Метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) является одним из предпочтительных для синтеза катодных материалов, благодаря ряду преимуществ: высокая чистота конечного продукта, низкое энергопотребление, возможность управления процессом на всех этапах синтеза. Среди эффективных способов управления реакциями СВ-синтеза выделяют способы управления на стадии подготовки шихты. На базе Томского политехнического университета проводились исследования по синтезу гексаборида лантана в режиме СВС с использованием управления горения путем добавления в систему экзотермических добавок. Одним из перспективных методов интенсификации процессов синтеза является метод механической активации, как один из наиболее просто реализуемых и обеспечивающих все необходимые параметры исходной смеси компонентов (размер частиц, гомогенность системы и т.д.).
Актуальность работы заключается в необходимости проведения комплексных исследований процессов синтеза лантан-борсодержащих материалов из компонентов, предварительно подверженных механической активации. Разработка физико-химических основ технологии получения таких материалов позволит целенаправленно создавать изделия со стабильными эксплуатационными характеристиками. Указанные выше подходы к разработке высокоэмиссионных материалов из гексаборида лантана отражают достигнутый уровень и степень разработанности проблемы.
Разработанность темы
Процессы получения функциональных материалов методом СВС достаточно глубоко изучали российские и зарубежные ученые в области технологического горения - А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская, Р. Тенне, Ф.Алдингер, Р.Кахн, В.И. Юхвид, Ю.М. Максимов, В.Борзыкин, A. С.Рогачев, А.М. Амосов, Е.А.Левашов, А.С.Мукасьян, С.Ю.Шаривкер, B. И.Яковлев.
Высокоэмиссионные материалы на основе гексаборида лантана могут найти широкое применение в областях науки и техники, связанных с использованием конденсированных потоков энергии. Вместе с тем эксплуатационные особенности применения керамических эмиссионных материалов, полученных в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, требуют нового научного решения при разработке способов управления синтезом, для обеспечения монофазности готового продукта для обеспечения наилучших эмиссионных параметров катодного узла.
Таковым решением может быть использование способов управления реакцией синтеза на стадии подготовки исходной шихты. Способы управления систем подобного состава недостаточно изучены, поэтому существует необходимость в изучении физико-химических процессов, протекающих при синтезе материалов на основе гексаборида лантана, и в разработке технологии получения эмиссионных материалов на основе гексаборида лантана с их применением.
Объект исследования- высокоэмиссионные керамические материалы на основе гексаборида лантана, полученные СВС-методом.
Предмет исследования- физико-химические процессы структурообразования керамических высокоэмиссионных материалов на основе гексаборида лантана при СВ-синтезе после механической обработки шихты реагентов.
Цель работы:разработка технологии получения высокоэмиссионных материалов на основе гексаборида лантана методом СВС при механической активации шихты.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование процессов фазообразования при синтезе гексаборида лантана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
2. Исследование влияния механической активации на параметры исследуемой шихты оксид лантана (III) -бор.
3. Исследование температурно-скоростных режимов СВС в системе La2O3-B от параметров механической активации шихты.
4. Разработка технологии получения гексаборида лантана в режиме СВС на основе исследования структурно-фазовых свойств синтезированного материала.
5. Экспериментальное исследование эмиссионных характеристик гексаборида лантана при его использовании в узлах генерации ускорителей электронов.
Научная новизна
1. Установлено, что при синтезе гексаборида лантана СВС методом без применения экзотермических добавок, из-за низкого энергетического выхода системы, продукт реакции является многофазным: LaBO3(борат лантана), B2O3(оксид бора), La2O3(оксид лантана), с содержанием целевой фазы LaB6(гексаборида лантана) 25 масс.%.
2. Установлено, что использование механической активации шихты La2O3(оксид лантана)- B (бор) повышает реакционную способность системы: при достижении минимального среднечисленного размера частиц шихты 2,52 мкм, в режиме обработки 20 Гц-15 минут, наблюдается максимальная температура реакции синтеза 1800 К, что подтверждается корреляционными зависимостями линейного характера между параметрами механической активации и максимальной температурой реакции горения. Механическая активация шихты при ускорении мелющих тел более 60g приводит к наклепыванию частиц друг на друга и образованию продуктов реакции в процессе активации, что ухудшает реакционную способность системы и снижает выход целевой фазы.
3. Установлено, что эмиссионные параметры катодного узла определяются структурой продукта СВ-синтеза. Полученная композиция с содержанием гексаборида лантана 95 масс.% проявляет большую стабильность электронного пучка и увеличенную величину выведенной энергии по сравнению с традиционными односоставными катодами, вследствие улучшенной поверхностной плотности (4-106см-2) параметров микроострий поверхности (5-15 мкм).
Теоретическая значимость работы
Расширены представления о процессах СВ-синтеза лантан- борсодержащих материалов с учетом различных способов управления реакцией синтеза. Обобщены знания о термодинамическом поведении, фазовом составе и функциональных свойствах синтезируемой системы в зависимости от морфологических характеристик шихты компонентов оксид лантана-бор после механической активации.
Практическая значимость работы
1. Разработана технология получения высокоэмиссионных материалов на основе гексаборида лантана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с применением предварительной механоактивации шихты. Использование технологии позволяет получить гексаборид лантана в виде изделия, пригодного для использования в ускорительной технике без дополнительных операций, в отличии от традиционных режимов проведения СВС.
2. Разработана технология получения катодных материалов на основе синтезированного методом СВС гексаборида лантана, обладающих повышенными эмиссионными характеристиками (увеличение выведенной энергии и стабильности электронного пучка) по сравнению с традиционными односоставными катодами.
Результаты исследования используются в учебном процессе в Национальном Исследовательском Томском Политехническом Университете при подготовке выпускных квалификационных работ и магистерских диссертаций студентов, обучающихся по направлению «Ядерные физика и технологии».
По результатам работы был получен патент РФ № 2014119077/02 «Способ получения материала, содержащего гексаборид лантана и диборид титана».
Методология и методы исследования
Методология диссертационного исследования включает анализ гранулометрического и фазового состава исходных порошков, а также смесей на их основе; анализ термодинамических параметров реакции СВ- синтеза; оптимизацию параметров смеси и исследование ее морфологических свойств; исследование параметров синтезированных образцов, конструирование и апробация в режиме реальной эксплуатации катодного узла на основе синтезированного гексаборида лантана; анализ полученных данных.
Экспериментальные исследования по теме диссертации выполнялись с использованием современных методов и аналитического оборудования (дифрактометр Shimadzu XRD - 6000, электронный микроскоп JEM-100CXII с растровой приставкой ACID- 4D и растровые электронные микроскопы марки Jeol SM - 894 и PHILIPS SEM 515, лазерная установка для измерения размера частиц Fritsch Analysette 22 MicroTec plus, прибор для анализа удельной поверхности частиц СОРБИ-М), технологического оборудования, лабораторных установок и методик проведения экспериментов, дающих адекватные результаты. Механическую активацию проводили с использованием планетарной шаровой мельницы АГО-2С. Испытание эмиссионных свойств полученных образцов проводили на генераторе импульсных напряжений ОМЕГА-350.
Положения, выносимые на защиту:
1. Закономерности процесса горения системы оксид лантана - бор после изменения начальных параметров системы (плотность образца, температура предварительного подогрева), при которых не достигается необходимых термодинамических параметров синтеза для получения монофазного продукта (содержание гексаборида лантана 45 масс.%).
2. Физико-химические процессы (изменение морфологических параметров, увеличение запасенной энергии системы), сопровождающие процесс механической активации шихты оксид лантана - бор, а так же их влияние на температурно-скоростные режимы протекания СВ-синтеза.
Степень достоверности и апробация результатов работы
Достоверность и обоснованность экспериментальных данных, полученных в диссертационной работе, обеспечивается проведением исследований с использованием современного аналитического и технологического оборудования, применением комплексных методов исследования материалов.
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и симпозиумах регионального, всероссийского и международного уровней: Высокие технологии,
исследования, образование, экономика; Международное совещание «Получение новых материалов с использованием процессов горения и взрыва» (2 - 8 мая 2011, Светлогорск, Калининградская область, Россия); Сборник статей 14-й международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике" (Санкт-Петербург, 4-5 Декабря 2012); Современные проблемы технической физики: Сборник тезисов и докладов всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи, (Томск, 14-16 Ноября 2011); I, II, III, IV Всероссийская научно-практической конференции молодых атомщиков Сибири: Ядерная энергетика - технология, безопасность, экология, экономика, управление (Томск, 2010, 2011, 2012, 2013); IV Всероссийская конференция студентов Элитного технического образования «Ресурсоэффективным технологиям - энергию и энтузиазм молодых», (Томск, 24-27 апреля 2013 г); Десятая всероссийская с международным участием школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых», (21-23 ноября 2012 г., г. Черноголовка); Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Современные проблемы технической физики», (г. Томск 2011).
Личный вклад автора
Проработка литературы по теме диссертации и участие в обсуждении планов экспериментальных исследований. Синтез и подготовка опытных образцов для экспериментальных исследований. Обработка результатов рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализа исходных реагентов и синтезированных образцов. Участие в обсуждении полученных результатов, оформление и подготовка их к публикации.
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 23 работах, включая 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 19 публикаций в сборниках Международных и Российских конференций, получен 1 патент Российской Федерации.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 143 источников и приложений. Работа изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 13 таблиц и 53 рисунков.
Для достижения поставленной цели и решения сформулированных задач, согласно принятой методологии работы по созданию высокоэмиссионных материалов на основе гексаборида лантана в режиме технологического горения, с заданным фазовым составом и обладающих необходимыми эмиссионными характеристиками, проведены следующие исследования:
- осуществлен анализ способов получения гексаборида лантана, проанализирована возможность получения гексаборида лантана в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза;
- рассмотрены и реализованы основные стадии управления СВ- синтезом при синтезе гексаборида лантана из смеси оксида лантана и бора;
- рассмотрены закономерности формирования морфологического состава шихты при механической активации, термодинамические особенности протекания реакции из механически активированной шихты;
- изучены основные физико-химические процессы, протекающие при синтезе гексаборида лантана, структурнофазовые особенности полученных материалов;
- осуществлена разработка рациональных технологических приемов получения высокоэмиссионных материалов на основе гексаборида лантана в режиме технологического горения.
В ходе исследования установлено:
- для получения монофазного продукта гексаборида лантана, синтезированного в режиме технологического горения, необходимо использовать дополнительные методы управления реакцией синтеза на стадии подготовки шихты;
- влияние процесса механоактивации на параметры шихты исходных
компонентов: среднечисленный размер частиц в зависимости от режима обработки может быть уменьшен в 6 раз до 2,5 мкм, удельная поверхность в результате самопроизвольного гранулирования уменьшается на порядок через 15 мин обработки;
- изменяются параметры протекания реакции технологического горения после механической активации: снижается температура инициирования реакции на 100 К (с 830 К до 730 К), при этом происходит увеличение максимальной температуры реакции на 450 К (с 1500К до 1950К), увеличивается скорость протекания реакции, что в свою очередь позволяет достичь фазовой чистоты продукта до 95 % при среднечисленном размере частиц 2,5 мкм.
- эмиссионные свойства катодов, полученных на основе гексаборида лантана, синтезированного в СВ-режиме. Улучшенные характеристики катодов позволят получать более стабильные электронные потоки, а также продлить ресурс работы катодов по сравнению с традиционными катодами на основе металлов и графита.
Таким образом, полученные результаты по синтезу гексаборида лантана в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с использованием механической активации на стадии подготовки шихты могут быть рекомендованы для получения всей группы высших боридов редкоземельных металлов в режиме технологического горения для обеспечения необходимых эксплуатационных характеристик.
Перспективы развития работы заключаются в более глубоком исследовании механических и эмиссионных характеристик гексаборида лантана в узлах генерации электронов при различных режимах работы, исследовании возможности улучшении эксплуатационных параметров гексаборида лантана по разработанной технологии в составе сложных систем и расширении способов управления свойствами эмиссионных материалов с помощью добавок.
- осуществлен анализ способов получения гексаборида лантана, проанализирована возможность получения гексаборида лантана в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза;
- рассмотрены и реализованы основные стадии управления СВ- синтезом при синтезе гексаборида лантана из смеси оксида лантана и бора;
- рассмотрены закономерности формирования морфологического состава шихты при механической активации, термодинамические особенности протекания реакции из механически активированной шихты;
- изучены основные физико-химические процессы, протекающие при синтезе гексаборида лантана, структурнофазовые особенности полученных материалов;
- осуществлена разработка рациональных технологических приемов получения высокоэмиссионных материалов на основе гексаборида лантана в режиме технологического горения.
В ходе исследования установлено:
- для получения монофазного продукта гексаборида лантана, синтезированного в режиме технологического горения, необходимо использовать дополнительные методы управления реакцией синтеза на стадии подготовки шихты;
- влияние процесса механоактивации на параметры шихты исходных
компонентов: среднечисленный размер частиц в зависимости от режима обработки может быть уменьшен в 6 раз до 2,5 мкм, удельная поверхность в результате самопроизвольного гранулирования уменьшается на порядок через 15 мин обработки;
- изменяются параметры протекания реакции технологического горения после механической активации: снижается температура инициирования реакции на 100 К (с 830 К до 730 К), при этом происходит увеличение максимальной температуры реакции на 450 К (с 1500К до 1950К), увеличивается скорость протекания реакции, что в свою очередь позволяет достичь фазовой чистоты продукта до 95 % при среднечисленном размере частиц 2,5 мкм.
- эмиссионные свойства катодов, полученных на основе гексаборида лантана, синтезированного в СВ-режиме. Улучшенные характеристики катодов позволят получать более стабильные электронные потоки, а также продлить ресурс работы катодов по сравнению с традиционными катодами на основе металлов и графита.
Таким образом, полученные результаты по синтезу гексаборида лантана в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с использованием механической активации на стадии подготовки шихты могут быть рекомендованы для получения всей группы высших боридов редкоземельных металлов в режиме технологического горения для обеспечения необходимых эксплуатационных характеристик.
Перспективы развития работы заключаются в более глубоком исследовании механических и эмиссионных характеристик гексаборида лантана в узлах генерации электронов при различных режимах работы, исследовании возможности улучшении эксплуатационных параметров гексаборида лантана по разработанной технологии в составе сложных систем и расширении способов управления свойствами эмиссионных материалов с помощью добавок.