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高纯铝炼制方法分类及应用

   日期:2016-10-20     来源:网络    浏览:1991    评论:0    

进一步脱除精铝中的杂质,产出高纯铝的一种铝精炼方法。用作制取高纯铝原料的精铝纯度一般在99.99%左右,高纯铝通常指纯度在99.999%以上的金属铝。高纯铝需控制的杂质元素因用途而异,一般有硅、铁、铜、铅、锌、镓、钛、镉、银和铟等。高纯铝经区域熔炼,或有机溶液电解与区域熔炼相结合的方法精炼所得的纯度高于99.9995%的铝,被称为超纯铝。

高纯铝大部分制成铝箔后,用于制造电解电容器。其他用途中有用作电解电容器引线、集成电路用导线、真空蒸发材料、喷涂材料等。还可用作超导体的稳定导体、计算机外部记忆装置材料及磁盘合金的基体金属等。

通常主要采用电化学提纯方法和物理提纯方法。前者有有机溶液电解法,后者有定向凝固法、单晶法和区域熔炼法。

通常把纯度(铝含量)大于99.8%的纯铝叫做高纯铝(highpurity aluminium).它是以优质精铝为原料,采用定向凝固提炼法生产的。高纯铝又可细分为次超高纯铝(铝含量99.5%~99.95%)、超高纯度铝(铝含量99.996%~99.999%)和极高纯度铝(铝含量99.999%以上)。高纯铝呈银白色,表面光洁,具有清晰结晶纹,不含有夹杂物。高纯铝具有低的变形抗力、高的电导率及良好的塑性等性能,主要被应用于科学研究、电子工业、化学工业及制造高纯合金、激光材料及一些其他特殊用途。产品一般以半圆锭或长板锭供货,每个半圆锭质量不小于45kg.每个长板锭质量不大于25kg,长板锭断面尺寸一般为200mm*65mm,长度不大于600mm.

有机溶液电解法

    铝的电位比氢更负,不能采用电解含铝水溶液的方法制取或精炼铝,而只能用熔盐电解的方法。熔盐电解过程一般在高于铝熔点的条件下进行,在高温电解条件下,一些杂质也会进入阴极铝中,难以获得纯度在99.999%或更高的高纯铝。有机溶液电解法则可以在低的电解温度下进行,可避免杂质进入阴极铝中,而能获得高纯铝。

齐格勒(Ziegler)等人电解氟化钠与三乙基铝的配合物 [NaF?2Al (C2H5)3],在铅阳极上得到Pb(C2H5)4:

12(C2H-5:)+3Pb=12e+3Pb(C2H5)4

在铝阴极上得到纯度为99.999%的高纯铝:

4Al(C2H5)4+12e=4Al+12(C2H-5:)

电解的电流效率为98%~99%,电压在1V以下,每公斤铝的电能消耗率仅为2~3kW·h。副产物Pb (C2H5)4可用作防爆剂。

汉尼巴尔(Hannibal)等人研究了三乙基铝有机溶液电解过程。他们把NaF?2Al(C2H5)3配合物溶解在甲苯 (CH3C6H5) 中,配合物含量为50%,电解温度373K,槽电压1.0~1.5V,电流密度0.3~0.5A/dm2,极间距2~3cm,采用铝阴极,铝从阳极上溶解,在阴极上析出高纯铝,阴极电流效率接近100%。用99.99%纯度的精铝作阳极进行有机溶液电解时,可得到纯度在99.9995%以上的超纯铝。

物理提纯法

主要有定向凝固法、单晶法和区域熔炼法,它们是利用杂质在主成分固液两相中的分凝效应进行提纯的方法。若将含杂质金属熔化后再凝固,当固液两相处于平衡状态时,其所含杂质量是不同的。继续使金属液慢慢凝固,则在金属固体中先后凝固的各部分中杂质含量也不同。这种现象称为分凝效应。杂质元素在处于平衡状态下的固液两相中浓度之比称为平衡分配系数,或平衡分凝系数,通常以K0表示。

式中Cs为杂质在固相中的浓度,C1为杂质在液相中的浓度。

K0<1,杂质元素趋向于聚集在开始凝固端;K0>1,杂质元素趋向于聚集在最终凝固端;K0=0,杂质元素均匀分布于固液相中,而难于分离。将聚集杂质的凝固端切除,即可得到纯金属。

在金属实际熔化、凝固过程中,由于受凝固的速率,即凝固过程中的固液相界面的前进速率和杂质在液体中混合程度的影响,实际的分配系数K往往偏离于K0。称实际的分配系数K为有效分配系数。铝中一些杂质元素的K0列举于表。

铝中一些杂质元素的分配系数K0

铝中一些杂质元素的分配系数K0

定向凝固法又称正常凝固法。把欲提纯的铝放在容器内全部熔化后,在稳定的温度下,从溶液中一端缓慢地向另一端冷凝,然后将凝固的固体纯端切下,再加以熔化和凝固,达到所要求纯度为止。定向凝固生产量大,广泛用于铝的提纯。

单晶法是用高纯铝籽晶或自生籽晶作为引晶,以一定的旋转速度以铝熔体中缓慢平稳地拉制出单晶的提纯方法。由于单晶可消除晶粒间界(晶粒间界处杂质较为富集),因而比定向凝固法具有更好的提纯效果。

区域熔炼法是使原料一部分在一定时间内熔化,这一熔区在一定的前进速率下移动,产生凝固与熔化作用的两个界面,杂质在固液相中产生分凝效应而起提纯作用。分离杂质的程度随着熔区通过全部原料的次数的增加而提高。区域熔炼提纯效果较定向凝固法好。

铝区域熔炼是把盛有条状铝锭的高纯氧化铝舟置于石英管内,在惰性气氛中用感应加热铝锭形成熔区进行熔炼提纯,可保持较狭的熔区和减少来自高温加热装置对产品的污染。纯度99.99%的铝,在0.5cm/h熔区移动速度下,经过三次区熔后,纯度可达99.998%以上。为了防止容器污染产品,亦可采用磁悬浮法,因为铝是表面张力与密度有高比率的材料。

高纯铝中的纯度可用它在室温(298K)的电阻率与在氦液化温度(4.2K)的电阻率之比ρ298K/ρ4.2K来表征。

高纯铝的应用:
工业高纯铝主要做电解电容器用的阳极箔、电容器引线、集成电路导线、真空蒸发材料、超导体的稳定导体、磁盘合金和高断裂韧性铝合金的基体金属,以及在科研、化工等方面的特殊用途
超高纯铝具有许多优良性能,用途广泛。它具有比原铝更好的导电性、延展性、反射性和抗腐蚀性,在电子工业及航空航天等领域有着广泛的用途。5N5-6N的超高纯铝(每种杂质的最大含量0.4ppm)96%用于半导体器件制造行业,4%用作超导电缆的稳定化材料
在制造集成电路芯片时阴极溅射是一道必不可少的工艺,这是一种特殊的高技术工艺,蒸发的呈等离子状态的铝沉积于阴极靶面,即在硅片上形成一层薄薄的均匀的极少缺陷的铝膜,随后在膜上涂一层感光性树脂,经曝光后除去无用的部位即未感光的树脂,也就是把这些处的树脂腐蚀掉,而保留的极窄的铝条便是所需的导电体。阴极溅镀用的铝越纯,其电导率也就越高超高纯铝的另一重要用途是作为集成电路的配线。超高纯铝中的痕量杂质铀与钍是越少越好,因为它们是放射性元素,在时时释放α粒子,从而造成集成电路出现故障,使程序失误与混乱。TADE生产的5N2高纯铝中U+Th<5ppb(wt%),5N5超高纯铝中U+Th<1ppb(wt%)。
5N及5N5的大尺寸板状靶材,大规模应用于PDP及TFT-LCD平板显示器,太阳能电池镀膜用溅射靶材。板靶原材料中Fe、Si、Cu、V、Ti等杂质完全符合相应标准。在超导领域,超高纯铝用作超导电缆的稳定化材料。
在电子领域5N超纯铝用于制造光电子存储媒体,如CD、CD-ROM、CD-RW、数据盘或微型盘、DVD银盘等,在银盘中用5N超纯铝溅射膜作为光反射层。超纯铝中的杂质含量极少。
杂质含量极少使得超纯铝具有一些特殊的性能优点
典型的性能特点
1.不纯物元素含量极低。杂质元素含量越低,金属间化合物密度越小
2.导电性能良。3RRR值高,在极低温区的电阻非常小。
3.光反射性能非常强,对紫外线有很高的反射率!
 

 
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