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高純金屬制備技術(shù)詳解
發(fā)布時(shí)間：
2017-04-12 13:03
高純金屬是現(xiàn)代許多高、新技術(shù)的綜合產(chǎn)物，雖然20世紀(jì)30年代便已出現(xiàn)“高純物質(zhì)”這一名稱(chēng)，但把高純金屬的研究和生產(chǎn)提高到重要日程，是在二次世界大戰(zhàn)后，首先是原子能研究需要一系列高純金屬，而后隨著半導(dǎo)體技術(shù)、宇航、無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)等的發(fā)展，對(duì)金屬純度要求越來(lái)越高，大大促進(jìn)了高純金屬生產(chǎn)的發(fā)展。
純度對(duì)金屬有著三方面的意義。 第 一，金屬的一些性質(zhì)和純度關(guān)系密切。純鐵質(zhì)軟，含雜質(zhì)的鑄鐵才是堅(jiān)硬的。另一方面，雜質(zhì)又是非常有害的，大多數(shù)金屬因含雜質(zhì)而發(fā)脆，對(duì)于半導(dǎo)體，極微量的雜質(zhì)就會(huì)引起材料性能非常明顯的變化。鍺、硅甲含有微量的m、V族元素、重金屬、堿金屬等有害雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體器件的電性能受到嚴(yán)重影響。第二，純度研究有助闡明金屬材料的結(jié)構(gòu)敏感性、雜質(zhì)對(duì)缺陷的影響等因素，并由此為開(kāi)發(fā)預(yù)先給定材料性質(zhì)的新材料設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件。第三，隨著金屬純度的不斷提高，將進(jìn)一步揭示出金屬的潛在性能，如普通金屬被是所有金屬中最脆的金屬。而在高純時(shí)被便出現(xiàn)低溫塑性，超高純時(shí)更具有高溫超塑性。超高純金屬的潛在性能的發(fā)現(xiàn)，有可能開(kāi)闊新的應(yīng)用領(lǐng)域，在材料學(xué)方面打開(kāi)新的突破口，為高技術(shù)的延伸鋪平道路。
金屬的純度是相對(duì)于雜質(zhì)而言的，廣義上雜質(zhì)包括化學(xué)雜質(zhì)（元素）和物理雜質(zhì)（晶體缺陷）。但是，只有當(dāng)金屬純度極高時(shí)，物理雜質(zhì)的概念才是有意義的，因此生產(chǎn)上一般仍以化學(xué)雜質(zhì)的含量作為評(píng)價(jià)金屬純度的標(biāo)準(zhǔn)，即以主金屬減去雜質(zhì)總含量的百分?jǐn)?shù)表示，常用N（nine的第 一字母）代表。如99.9999％寫(xiě)為6N,99.99999％寫(xiě)為7N。此外，半導(dǎo)體材料還用載流子濃度和低溫遷移率表示純度。金屬用剩余電阻率RRR和純度級(jí)R表示純度。國(guó)際上關(guān)于純度的定義尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。一般講，理論的純金屬應(yīng)是純凈完全不含雜質(zhì)的，并有恒定的熔點(diǎn)和晶體結(jié)構(gòu)。但技術(shù)上任何金屬都達(dá)不到不含雜質(zhì)的純度，故純金屬只有相對(duì)含義，它只是表明目前技術(shù)上能達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。隨著提純水平的提高，金屬的純度在不斷提高。例如，過(guò)去高純金屬的雜質(zhì)為10-6級(jí)（百萬(wàn)分之幾），而超純半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)達(dá)10一9級(jí)（十億分之幾），并逐步發(fā)展到10一12級(jí)（一萬(wàn)億分之幾）。同時(shí)各個(gè)金屬的提純難度不盡相同，如半導(dǎo)體材料中稱(chēng)9N以上為高純，而難熔金屬鎢等達(dá)6N已屬超高純。
高純金屬制取通常分兩個(gè)步驟進(jìn)行，即純化（初步提純），和超純化（最終提純）。生產(chǎn)法大致分為化學(xué)提純和物理提姓兩類(lèi)。為獲高純金屬，有效除去難以分離的雜質(zhì)，往往需要將化學(xué)提純和物理提純配合使用，即在物理提純的同時(shí)，還進(jìn)行化學(xué)提純，如硅在無(wú)坩堝區(qū)熔融時(shí)可用氫作保護(hù)氣，如果在氫氣中加入少量水蒸氣，則水與硅中的硼起化學(xué)反應(yīng)，可除去物理提純不能除去的硼。又如采用真空燒結(jié)法提純高熔點(diǎn)金屬鉭、鈮等時(shí)，為了脫碳，有時(shí)需要配人比化學(xué)計(jì)量稍過(guò)量的氧，或?yàn)槊撗跖淙艘欢〝?shù)量的碳，這種方法又稱(chēng)為化學(xué)物理提純。
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