高纯金属技术及应用

高纯金属技术及应用

高纯金属材料概述

1.1高纯金属材料的定义

金属材料的纯度是相对于杂质而言的。广义上杂质包括化学杂质（元素）和物理杂质（晶体缺陷）。但是，只有当金属材料纯度极高时，物理杂质的概念才是有意义的。因此生产上一般仍旧以化学杂质的含量作为评价金属材料纯度的标准，即以主金属材料减去杂质总含量的百分数表示，常用N(nine 的第一个字母)代表，如99.9999%写为6N，99.99999%写为7N。此外，半导体材料还用载流子浓度（atom/cm3）和低温迁移率（cm2V-1S-1）表示纯度，金属材料用剩余电阻率RRR和纯度级R(Reinheitgrad)表示纯度，其中RRR=ｐ298k/ｐ4.2k( 式中ｐ为金属材料在常温和液氦温度4.2 k以下的电阻值)，R=﹣[lg(100-W)]（式中W为主体金属材料含量，如某金属材料为99.999%，则R=﹣[lg(100-99.999)]=3）。国际上关于纯度的定义尚无统一标准，实际上“高纯”只有相对含义，是目前技术上所能达到的标准。随着提纯技术和检测水平的提高，金属材料的纯度在不断提高，例如，过去高纯金属材料的杂质为ppm级（百万分之几），而超纯半导体材料的杂质达ppb级（十亿分之几），并逐步发展到ppt级（一万亿分之几）。同时，各个金属材料的提纯难度不尽相同，如半导体材料中硅、锗称9N上为高纯，而难熔金属材料达6N以属于超高纯。

高纯金属主要用于电子化工材料和特殊合金材料,随着大规模集成电路的发展，计算机等电子、电器制品市场的迅速扩展，高纯金属的市场需要量不断增长，高纯金属是一种制备高纯试剂及标样配置的基体材料，同时还可应用于制备磁记录材料、磁传感器材料、光电材料和集成电路、氢化催化、大规模集成电路、原子反应堆保护材料、生物材料、航空发动机、低膨胀合金等高技术领域。随着高新技术的发展，多种金属已作为高新技术的战略物资，并要求将其提纯至非常高的纯度，高纯、超高纯金属的制备、特性及应用在现代材料科学和工程领域中属于新型的不断增长的领域。近年来，随着经济建设的快速发展，高强高导高纯金属及氧化物需求量将会大幅增加，性能和质量要求越来越高，高纯金属是提升国

家地位的载体，是一个国家科学技术发展水平的重要标志。

综观全世界，高纯金属产业已经渗透到国民经济、国防建设和社会生活的各个领域，支撑着一大批高新技术产业的发展，对国民经济的发展具有举足轻重的作用，成为各个国家抢占未来经济发展制高点的重要领域。主要发达国家都十分重视高纯金属产业投入和发展。美国政府在1991至1995年的《国家关键技术报告》中就将材料科学与技术列为重要的研究领域。

德国自1994年就启动了跨世纪国家级高纯金属研究计划，进入21世纪后，德国在9大重点发展领域均将高纯金属列为首位，通过开发高纯金属以确保资源和环境；德国还将纳米技术列为科研创新的战略领域。

日本把开发高纯金属列为国家高新技术的第二大目标，认为高纯金属技术是推动21世纪创新和社会繁荣的主导力量。

金属的纯度是相对于杂质而言的，广义上杂质包括化学杂质（元素）和物理杂质（晶体缺陷）。但是，只有当金属纯度极高时，物理杂质的概念才是有意义的，因此生产上一般仍以化学杂质的含量作为评价金属纯度的标准，即以主金属减去杂质总含量的百分数表示，常用N(nine的第一字母）代表。如99.9999%写为6N，99.99999%写为7N。此外，半导体材料还用载流子浓度和低温迁移率表示纯度。金属用剩余电阻率RRR和纯度级R表示纯度。国际上关于纯度的定义尚无统一标准。一般讲，理论的纯金属应是纯净完全不含杂质的，并有恒定的熔点和晶体结构。但技术上任何金属都达不到不含杂质的绝对纯度，故纯金属只有相对含义，它只是表明目前技术上能达到的标准。随着提纯水平的提高，金属的纯度在不断提高。同时各个金属的提纯难度不尽相同，如半导体材料中称9N以上为高纯，而难熔金属钨等达6N已属超高纯。

1.2高纯金属材料的性质

1.3高纯金属材料的应用

1.4高纯金属材料的发展状况

高纯金属材料提纯制备方法

高纯金属制取通常分两个步骤进行，即纯化（初步提纯），和超纯化（最终提纯）。生产法大致分为化学提纯和物理提姓两类。为获高纯金属，有效除去难以分离的杂质，往往需要将化学提纯和物理提纯配合使用，即在物理提纯的同时，还进行化学提纯，如硅在无坩埚区熔融时可用氢作保护气，如果在氢气中加入少量水蒸气，则水与硅中的硼起化学反应，可除去物理提纯不能除去的硼。又如采用真空烧结法提纯高熔点金属钽、铌等时，为了脱碳，有时需要配人比化学计量稍过量的氧，或为脱氧配人一定数量的碳，这种方法又称为化学物理提纯。

物理提纯法

物理方法—利用蒸发、凝固、结晶等物理现象提纯

该法多采用真空技术，主要方法：

真空精馏

电弧熔炼

电子束熔炼

区域熔炼；

电迁移

1.1提纯法

1.2 区域熔炼提纯法

● 1 区域熔炼的基本原理

●分凝效应

●区域熔炼原理

●真空区域提纯

●§2 区域熔炼的工艺过程

●电子束悬浮区域熔炼

●水平区域熔炼

●区域熔炼方法：

●水平熔炼，悬浮熔炼；

●加热方法：

●感应加热，电子束加热，电阻加热

●系统气氛分为：

●真空熔炼，保护气氛熔炼

1.3 真空熔炼提纯法

1.4 真空精炼

高温真空精炼

高温真空精炼用于对还原法或电解法得到的金属进行提纯，精炼过程有两种类型：

1、金属以气相挥发—冷凝---纯金属锭。（真空蒸馏）

2、杂质以气相挥发---金属熔体纯化---纯金属锭。（真空熔炼）

金属中的杂质主要存在形式：

1、C、N、O、H、等与金属形成固溶体存在金属中。