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1、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
2、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
3、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-1899.9
4、96%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
5、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%）
6、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
7、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
8、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
9、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
10、 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
11、 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
12、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
