RU2849430C1 - Способ получения порошка гексаборида лантана - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению порошков с использованием электрофизических процессов. Может использоваться для производства порошковых материалов для электронной промышленности. В шаровой мельнице в течение 15 минут смешивают порошки оксида лантана La₂O₃ в количестве 0,635 г и бора В в количестве 1,365 г c размерами частиц не более 5 мкм. Полученную смесь помещают в первый графитовый стакан, концентрически зафиксированный внутри второго графитового стакана, внутренний диаметр которого в 1,5 раза больше диаметра первого стакана, а высота в 1,5 раза больше высоты первого стакана. Первый стакан накрывают графитовой крышкой, поджигают дуговой разряд соприкосновением анода в виде графитового стержня с графитовой крышкой при силе тока 150-200 А, отводят анод вертикально вверх, образуя разрядный промежуток, поддерживающий дуговой разряд в течение 30-75 секунд в воздушной среде. Обеспечивается сокращение времени получения порошка LaB₆ и уменьшение количества примесей углерода в полученном порошке. 4 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению порошков с использованием электрофизических процессов и может быть использовано для производства порошковых материалов для электронной промышленности.

Известен электролитический способ получения гексаборида лантана [RU 2477340, МПК С25B 1/24 (2006.01), C01F 17/00 (2006.01), опубл. 10.03.2013), который осуществляют совместным электровыделением лантана и бора из хлоридного расплава на катоде и их последующим взаимодействием на атомарном уровне. Процесс осуществляется в трехэлектродной кварцевой ячейке, где катодом служит вольфрамовый стержень, электродом сравнения - стеклоуглеродный стержень, запаянный в пирекс, анодом и одновременно контейнером - стеклоуглеродный тигель. Синтез ультрадисперсного порошка гексаборида лантана проводят посредством потенциостатического электролиза из эквимольного расплава KCl-NaCl, содержащего трихлорид лантана и фторборат калия в атмосфере очищенного и осушенного аргона при потенциалах от -2,0 до -2,6 В относительно стеклоуглеродного электрода сравнения при температуре 700±10°C.

Однако такой способ достаточно длителен, а его технологическое обеспечение сложно в промышленных масштабах.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения порошка гексаборида лантана LaB₆ [S.A. Kamble, D.M. Phase, S. Ghorui, D. Bhattacharjee, S.V. Bhoraskar, V.L. Mathe Influence of carbonaceous species entered during arc plasma synthesis on the stoichiometry of LaB₆ DOI: 10.1016/j.physb.2021.413289], согласно которому исходную шихту, содержащую лантан и бор помещают в полость графитового цилиндрического анода, размещают соосно с графитовым катодом в полости герметичной камеры, заполненной газообразным азотом при давлении 500 мБар. Между анодом и катодом поджигают дуговой разряд с мощностью 2,0 – 3,4 кВт регулируемой силой тока 100 - 170 А. После завершения дугового процесса герметичную камеру вскрывают, собирают полученный порошок, образовавшийся в результате конденсации парогазовой фазы. Полученный порошок подвергают термическому воздействию при 650 °С в воздушной среде для очистки от порошка углерода, который образовался вместе с порошком LaB₆. После остывания до комнатной температуры в воздушной среде получают готовый продукт – порошок LaB₆.

Недостатками известного способа являются необходимость организации защитной газовой атмосферы азота при пониженном давлении, загрязнение полученного продукта эродированным графитом и необходимость его удаления термическим воздействием.

Техническим результатом предложенного изобретения является создание способа получения порошка гексаборида лантана, позволяющего сократить время получения порошка LaB₆ и уменьшить количество примесей углерода в порошке после воздействия дугового разряда.

Способ получения порошка гексаборида лантана, так же как в прототипе, включает размещение шихты, содержащей бор и лантан, в полости графитового цилиндрического электрода и генерацию дугового разряда с помощью электрода в виде графитового стержня.

Согласно изобретению, шихту готовят путем смешивания в течение 15 минут в шаровой мельнице порошков оксида лантана La₂O₃ в количестве 0,635 г и бора В в количестве 1,365 г c размерами частиц не более 5 мкм. Полученную шихту размещают в полости графитового цилиндрического электрода, выполненного в виде первого графитового стакана, внутри которого концентрически зафиксирован второй графитовый стакан меньшего диаметра, предназначенный для размещения шихты, причем высота первого стакана в 1,5 раза больше высоты второго стакана. Второй графитовый стакан накрывают графитовой крышкой. Дуговой разряд генерируют соприкосновением анода в виде графитового стержня с графитовой крышкой при силе тока 150-200 А. Затем анод отводят вертикально вверх, образуя разрядный промежуток, поддерживающий дуговой разряд в течение 30-75 секунд в воздушной среде при нормальных условиях. После остывания графитовых стаканов до комнатной температуры, из второго графитового стакана вынимают первый графитовый стакан, снимают его крышку и извлекают полученный порошок гексаборида лантана.

При возникновении дугового разряда постоянного тока температура в зоне его формирования и горения поднимается до нескольких тысяч градусов, вследствие чего бор и оксид лантана вступают в реакцию. Кислород воздуха в реакционной зоне вступает в реакцию с углеродом в составе анода и катода, образуя газ монооксид углерода СО, который затем доокисляется, образуя газ диоксид углерода СО₂. Образующиеся газы экранируют полость графитового стакана, являющегося катодом от кислорода воздуха, препятствуя процессам окисления исходной шихты и продуктов синтеза. Электродуговая обработка при силе тока 150-200 А в течение 30-75 секунд обеспечивает достаточное энергетическое воздействие для формирования гексаборида лантана. При этом эродированный графит оседает на поверхности графитовой крышки, которая предотвращает его попадание в получаемый порошок, снижая содержание примесей за счет удаления эродированного графита механически вместе с крышкой.

Таким образом, получение предложенным способом порошка гексаборида лантана LaB₆ реализовано в ходе однократной электродуговой обработки исходной смеси порошков оксида лантана и бора в воздушной среде, с возможностью сбора порошка LaB₆ отдельно от эродированного графита.

На фиг. 1 представлена схема устройства для получения порошка LaB₆.

На фиг. 2 представлена картина рентгеновской дифракции полученного порошка LaB₆ (пример 1), где обозначены соответствующие дифракционные максимумы.

На фиг. 3 представлена картина рентгеновской дифракции полученного порошка LaB₆ (пример 2), где обозначены соответствующие дифракционные максимумы.

На фиг. 4 представлена картина рентгеновской дифракции полученного порошка LaB₆ (пример 3), где обозначены соответствующие дифракционные максимумы.

В таблице 1 представлены условия получения порошков LaB₆.

Для осуществления способа использовали устройство (фиг. 1), которое содержит графитовый катод, состоящий из первого графитового вертикально расположенного стакана 1, в который концентрический установлен второй графитовый стакан 2 меньшего диаметра. Внешний диаметр первого графитового стакана 1 составляет 30 мм, а второго графитового стакана 2 – 20 мм. Полость второго графитового стакана 2 предназначена для размещения шихты 3 из смеси 0,635 г порошка оксида лантана Lа₂O₃ и 1,365 г порошка бора B с размерами частиц не более 5 мкм (с чистотой 99,0 мас.%). Шихту готовят путем смешивания указанных порошков в течение 15 минут в размольном стакане из нержавеющей стали в шаровой мельнице мелющими шарами из нержавеющей стали при соотношении масс шаров к порошку как 4:1. Второй графитовый стакан 2 накрыт графитовой крышкой 4. Между внутренней поверхностью первого стакана 1 и внешней поверхностью второго стакана 2 установлены три графитовые распорки 5, равномерно расположенные по окружности второго графитового стакана 2. К стенке первого графитового стакана 1 прикреплен диэлектрический держатель 7. В резьбовое отверстие диэлектрического держателя 7 вставлен винт 8, соединенный с концом графитового анода 9 в виде стержня длиной 10 см и диаметром 8 мм, другой, свободный конец которого расположен соосно второму графитовому стакану 2 с возможностью продольного перемещения в полости первого стакана 1 до соприкосновения с крышкой 4, которой накрыт второй графитовый стакан 2. Анод 9 и первый графитовый стакан 1 подключены к источнику постоянного тока 10 (ИПТ) силовыми проводами 11.

При включении источника постоянного тока 10 (ИПТ) между графитовым анодом 9 и крышкой 4 второго графитового стакана 2 возникает разность потенциалов. Вращением винта 8 перемещают анод 9 внутри полости первого графитового стакана 1 до соприкосновения с крышкой 4 второго графитового стакана 2. Дуговой разряд 6 поджигают соприкосновением анода 9 с крышкой 4 второго графитового стакана 2 при силе тока 150 A. После начала протекания тока анод 9 отводят вертикально вверх при помощи винта 8, образуя пространство для горения дугового разряда. После горения дугового разряда в течение 30 с источник постоянного тока 10 (ИПТ) отключают. После остывания анода 9 и графитовых стаканов 1 и 2 анод 9 перемещают вверх из полости первого графитового стакана 1, снимают крышку 4 и извлекают порошок из полости второго графитового стакана 2.

Полученный порошок массой 1,966 г проанализировали на рентгеновском дифрактометре Shimadzu XRD 7000s (CuKα-излучение).

Полученные рентгеновские дифрактограммы показали наличие фазы LaB₆, которой соответствуют 12 дифракционных максимумов, обозначенных на фиг. 2. По положениям дифракционных максимумов установлено, что это кубическая фаза с параметром решетки а = 4.16 Å. Единичные не обозначенные максимумы с интенсивностью порядка не более 5% (следы) принадлежат оксиду лантана и графиту.

Другие примеры получения порошка LaB₆ представлены в таблице 1 и на фиг. 3 - 4 (примеры 2 и 3).

Claims (1)

1. Способ получения порошка гексаборида лантана, включающий размещение шихты, содержащей бор и лантан, в полости графитового цилиндрического электрода, генерацию дугового разряда с помощью электрода в виде графитового стержня, отличающийся тем, что шихту готовят путем смешивания в течение 15 минут в шаровой мельнице порошков оксида лантана La₂O₃ в количестве 0,635 г и бора В в количестве 1,365 г c размерами частиц не более 5 мкм, полученную шихту размещают в полости графитового цилиндрического электрода, выполненного в виде первого графитового стакана, внутри которого концентрически зафиксирован второй графитовый стакан меньшего диаметра, предназначенный для размещения шихты, причем высота первого стакана в 1,5 раза больше высоты второго стакана, второй стакан накрывают графитовой крышкой, дуговой разряд генерируют соприкосновением анода в виде графитового стержня с графитовой крышкой при силе тока 150-200 А, затем анод отводят вертикально вверх, с формированием разрядного промежутка, поддерживающего дуговой разряд в течение 30-75 с в воздушной среде при нормальных условиях, а после остывания графитовых стаканов до комнатной температуры из первого графитового стакана вынимают второй графитовый стакан, снимают графитовую крышку и извлекают полученный порошок гексаборида лантана.