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高纯金属制备技术及应用吴文远东北大学材料与冶金学院2012年 06月1 1目 录v第一章 概 述v1 高纯金属的性质v2 高纯金属的概念及表示方法v第二章 化合物的提纯方法v1 中和沉淀法v2 蒸馏法v3 溶剂萃取法*v4 离子交换法v5 萃取树脂色层法*2v第三章 高温真空精炼提纯金 属v1 热力学基础理论v2 动力学基础理论v3 真空电弧熔炼法v4 真空电子束熔炼v5 等离子束熔炼v6 凝壳熔炼v7 充气电渣熔炼3第四章 区域熔炼制取高纯金属v1 区域熔炼的基本原理v 分凝效应v 区域熔炼原理v 真空区域提纯v2 区域熔炼的工艺过程v 电子束悬浮区域熔炼v 水平区域熔炼v3 高纯铝的生产方法4第五章 固态电解(电传输法)提纯金属v1 固态电解的基本原理v2 固态电解的工艺过程v3 固态电解区熔联合法5第一章 概 述1 高纯金属的性质广泛使用的金属由于受生产条件的限制,金属中往往含有其他杂质元素,这些元素通常改变了其金属本身的性质金属铍 Be 普通级(熔盐电解生产)纯度:99.5%99.8%,特点:具有很高的脆性。 高纯级 纯度:99.99%99.999%特点:低温下具有塑性 超高纯级 纯度 :99.999%特点:高温下同样具有塑性6高纯铝的性质高纯铝有着一系列的优异的物理化学性能:n密度小、热导率与电导率高,对光的反射率也高;n对大气有很强的抗腐蚀性能,因为其表面有一层很薄的致密的氧化膜,铝越纯这层氧化膜(Al2O3膜)也越纯,其保护性能也越强;n加工成形性能好,可加工成任意形状;n没有低温脆性,其强度与塑性均随着温度的下降而升n高,可是绝大多数铝都有低温脆性。7n99.996%高纯铝的种种性能汇总如下 :n干涉性中子散射断面积 1.495barnn非干涉性中子散射断面积 0.0092barnn中子吸收断面积 0.231barn n晶格常数(298K) 0.40496nmn密度(固态、(298K)*) 2699kg/cm3n密度(液态、973K) 2357kg/cm3n线膨胀系数(298K) 2310- 6K-1n热导率(298K) 237Wm -1K-1899.996%高纯铝的种种性能汇总如下:n体积电阻率(293K) 265510- 6mn体积电导率(293K) 64.94% IACSn磁化率(298K) 1610-3mm-1 gatom-1 n表面张力(熔点) 0.868Nm-1n粘度(熔点) 0.0012kgm- 1s-1n熔点 933.5Kn熔解热 10.7KJmol-1n气化热 291KJmol-1999.996%高纯铝的种种性能汇总如下:n反射率(电解抛光,对可见光 )85% 90% 热辐射率 3%n超导温度 1.175Kn切变模量 2.6671010Nm2n正弹性模量 7.0511010Nm2n 体积弹性模量 7.551010Nm210高纯铝的用途n由于高纯铝具有诸多的独特的优异性能, 所 以在某些部门特别是一些高新技术部门获 得了广 泛的应用,成为一类不可或缺的材料。n3N84N8铝的 78%左右用于轧制电解电 容 器铝箔,即常说的电子箔,照明灯具的用 量占 12%,计算机存储硬盘的用量约 4%.11高纯铝的用途n 5N6N超纯铝(每种杂质的最大含量04ppb )的96%(用于制造半导体器件,4%用作超导电缆 的稳定 化材料。n 高纯铝在研究铝的各种性能方面有着重要用途。 2003年全世界的高纯铝总产量约70kt,而超纯铝 的产量 只不过 1kt左右,其量虽小,却很重要。n 目前,5N超纯铝(99.999%99.9996%)的 价格 1800030000USD/T, 而 6N超 纯 铝 却 高 于 750000USD/T,具体价格由供需双方议定,主要 决定于 具体杂质含量及产品尺寸。12高纯铝的提取方法n高纯铝的提取方法有:n 三层电解法“ 偏析法“联合法“ 区域熔炼法与有机 物溶液电解法等.n 各种工艺可提取的高纯铝的最大纯度一般为:三层电解法 99.99%4N偏析法 99.99%联合法 99.999%有机溶液电解法 9.9999%n当前应用最广的是前两种工艺,85%以上的高 纯铝是用这些方法提取的, 经过反复多次偏析提 纯 可以生产 5N 或更纯一些的高纯铝.1314152 高纯度的概念与表示方法一、高纯度的概念纯度:一般指特定产品主要成分与其包含 杂质在 内的成分之和的相对量,如: %(mass), %(mol), %(atom mass), 金属纯度:类似于金属纯度概念,但金属 纯度是 相对于化学杂质(化学元素)和物理杂质 (晶格 缺陷)而言。一般纯度下,物理杂质对金 属的性 质影响较小,故常以化学杂质含量作为评 价标准。 16高纯度的概念与表示方法n纯度的级别:一般分为普通纯、高纯、超高纯。目前,国际上关于纯度的定义仍没有 统一的 标准,现高纯,超高纯均相对普通级而言 。n纯度定义受三个方面的限制:1科学技术发展限制2各金属提纯难度限制3金属材料所需要的金属纯度171 主金属减去杂质总含量的百分数表示Me为主金属,杂质为Me1,Me2,Men ,则Me 的纯度为:(Me-Me i)/Me100%(mass,atom,.)意义:以金属中杂质约束金属纯度。为简化表 示,以 N代表9的个数,如:99.9998%可表示成 5N8。二、高纯度的表示方法182 以纯度的等级R表示R=-lg(100-Me) Me-主体金属含量例如:主体金属含量为8N,则称该金属纯度为 6级。R=-lg(100-99.999999)=6193金属的剩余电阻率RRR表示纯度RRR = 298k/ 4.2k298k -金属在298K温度下的电 阻率4.2k -金属在4.2K温度下的电 阻率该种方法主要用于超导所用材料的纯度 评价。202122232425n4 、半导体材料的纯度表示方法n半导体材料还可以用载流子浓度atomcm3n和低温迁移率cm2v-1s-1表示浓度。26三、高纯金属(及化合物)的分析方法n高纯金属与化合物的化学成分分析方法:化学成分分析的方法很多,如:容量分析、重 量分 析、比色分析、光谱分析、质谱分析、荧光分析 等。前三种方法主要用于常规分析,检测下限约在 0.1%- 0.01%。后几种方法为仪器分析,检测下限根据设备精 度的 不同差别较大,一般为0.001%-0.0001%,高精度设 备可 达到0.000000000001%(10-12)。因此,对高纯金属的单位,就化学成分分析而 言, 高精密仪器是必要的条件。27痕量分析的表示方法n百万分之一 ppm 106 ug/gn十亿分之一 ppb 109 n g/gn万亿分之一 ppt 1012 pg/g 28全谱直读等离子发射光谱仪 主要特点 1.大面积、程序化固态检测器 阵列L-PAD,较原CID检测器 大4倍 2.高色散率、高分辨率、高准 确度 3.检测器像素100万,全谱 直读检测,一次曝光完成, 分析速度快 4.非破坏性智能数据读取处理 ,超级检出能力 5.一体式的光源设计,超稳定 光学结构 ,提供极佳的稳定 性 6.实现F、Cl、Br、I、N等卤 素分析功能 7.TRA(时序分析)实现元素形 态分析功能n技术参数 1.中阶梯光栅,大面积、程序化 固态检测器阵列L-PAD 2.波长范围165-1100nm,可选 配120-165nm段波长,分辨率: BCD。欲从此料液中提取纯B,可以以B与C之间为分离界限 ,将A和B归为易萃组分,其余为难萃组分。经萃取提取A和B后,再 以A与B之间为分离界限,则可以获得纯B和A。也可以首先以A与B之 间为分离界限,再以B与C为分离界限,同样能获得纯B和A。实际生 产中,分离界限的划分与萃取工艺流程有关,有时还会影响生产的成 本和产品纯度。n 分配比D与Nernst分配常数k不同,其值的大小与溶液中的被萃取 物浓度、溶液的酸度、萃取剂浓度以及稀释剂的性质等因素有关,只 有在理想状态下,被萃取物在任何一个相中均不参与任何反应时, D=k才可能成立。67萃取分离法(溶剂萃取)萃取率(q) 萃取率q表示萃取平衡时,萃入有机相中的被萃物的量与 原料液中该种物质量的百分比。即: q= C有V有/(C水V水+ C有V有)100% = C有/C水/ (C有/C水+ V水/V有) = D/(D+ V水/V有) 式中:V水表示料液的体积;V有表示有机相的体积;如令 V有/ V水=R,R称之为相比,则有: q= D/(D+ 1/R) 33由上式可见,萃取率不仅与分配比有关而且与相比有关,相 比R的值越大萃取率q越高。68萃取分离法(溶剂萃取)分离系数(A/B) 含有两种以上的溶质的溶液在同一萃取体系、同 样萃取条件下进行萃取分离时,各溶质分配比D之 间比值用于表示两溶质之间的分离效果。其表达式 为:A/B =DA/DB= CA有CB水/ CA水CB有 式中:DA、DB表示A、B两种溶质的分配比,通常 以分配比较大者记为A,表示易萃组分,较小者记 为B,表示难萃组分。69萃取分离法(溶剂萃取) 萃取比(E) 在萃取过程连续进行时,常用被萃物在两相中的质量流 量比表示平衡状态。于是有: EA= A有/A水 或 EB=B有/B水
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