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稀土六硼化物(RB6,R为稀土元素)是一类具有特殊晶体结构的硼化物,具有逸出功低、化学稳定性好、熔点高、硬度大、发射电流密度高、蒸发率低等优点,是一种理想的热阴极材料。本文采用氢直流电弧法,将稀土镧块和镝块制成LaH2纳米粉末和DyHx纳米粉末,以LaH2、DyHx纳米粉末和B微米粉末为原料,利用放电等离子烧结法(Spark Plasma Sintering,简称SPS)成功制备了DyB6和(LaxDy1-x)B6(0<x<1)多晶块体材料,研究了其力学性能和热电子发射性能,并探索了各种烧结参数对材料结构和性能的影响。
实验研究表明,当烧结压力为60MPa,烧结温度不低于1275℃时,可得到单相DyB6多晶块体。随着烧结温度的升高,样品的气孔率降低,晶粒长大。样品的相对密度、维氏硬度亦增大,并在1425℃达到最大值,之后随着温度的升高而减小。样品的抗弯强度和热电子发射电流密度始终随着烧结温度的升高而增大,而电阻率却随烧结温度的升高而减小。当烧结温度为1500℃时,随着烧结压力的增大,样品的相对密度、维氏硬度、抗弯强度和热电子发射电流密度增大。
当烧结压力60MPa时,随着烧结温度的升高,(La0.6Dy0.4)B6的密度、维氏硬度和抗弯强度增大。在不同阴极工作温度1773、1873、1973K下对应的最大热电子发射电流密度分别为16.53、28.76、45.74A/cm2,有效逸出功Φeff平均值为2.79eV。
(LaxDy1-x)B6样品随着La原子含量的不同,其力学性能和热电子发射性能发生变化。在60MPa、1425℃烧结时,(LaxDy1-x)B6样品的维氏硬度和抗弯强度在x=0.6时达到最大值。(LaxDy1-x)B6的热电子发射性能随La原子含量的增加逐渐增大,当x=0.8时,(La0.8Dy0.2)B6在1973K工作温度时的最大热发射电流密度达64.33A/cm2。
采用SPS方法制备得到的DyB6和(LaxDy1-x)B6多晶块体的力学性能和热电子发射性能优异,而且烧结时间短,烧结温度低,能耗少,这对于RB6热阴极材料的制备和应用具有重要的意义。