進一步脫除精鋁中的雜質,產出高純鋁的一種鋁精煉方法。用作制取高純鋁原料的精鋁純度一般在99.99%左右,高純鋁通常指純度在99.999%以上的金屬鋁。高純鋁需控制的雜質元素因用途而異,一般有硅、鐵、銅、鉛、鋅、鎵、鈦、鎘、銀和銦等。高純鋁經區域熔煉,或有機溶液電解與區域熔煉相結合的方法精煉所得的純度高于99.9995%的鋁,被稱為超純鋁。
高純鋁大部分制成鋁箔后,用于制造電解電容器。其他用途中有用作電解電容器引線、集成電路用導線、真空蒸發材料、噴涂材料等。還可用作超導體的穩定導體、計算機外部記憶裝置材料及磁盤合金的基體金屬等。
通常主要采用電化學提純方法和物理提純方法。前者有有機溶液電解法,后者有定向凝固法、單晶法和區域熔煉法。
通常把純度(鋁含量)大于99.8%的純鋁叫做高純鋁(highpurity aluminium).它是以優質精鋁為原料,采用定向凝固提煉法生產的。高純鋁又可細分為次超高純鋁(鋁含量99.5%~99.95%)、超高純度鋁(鋁含量99.996%~99.999%)和極高純度鋁(鋁含量99.999%以上)。高純鋁呈銀白色,表面光潔,具有清晰結晶紋,不含有夾雜物。高純鋁具有低的變形抗力、高的電導率及良好的塑性等性能,主要被應用于科學研究、電子工業、化學工業及制造高純合金、激光材料及一些其他特殊用途。產品一般以半圓錠或長板錠供貨,每個半圓錠質量不小于45kg.每個長板錠質量不大于25kg,長板錠斷面尺寸一般為200mm*65mm,長度不大于600mm.
有機溶液電解法
鋁的電位比氫更負,不能采用電解含鋁水溶液的方法制取或精煉鋁,而只能用熔鹽電解的方法。熔鹽電解過程一般在高于鋁熔點的條件下進行,在高溫電解條件下,一些雜質也會進入陰極鋁中,難以獲得純度在99.999%或更高的高純鋁。有機溶液電解法則可以在低的電解溫度下進行,可避免雜質進入陰極鋁中,而能獲得高純鋁。
齊格勒(Ziegler)等人電解氟化鈉與三乙基鋁的配合物 [NaF?2Al (C2H5)3],在鉛陽極上得到Pb(C2H5)4:
12(C2H-5:)+3Pb=12e+3Pb(C2H5)4
在鋁陰極上得到純度為99.999%的高純鋁:
4Al(C2H5)4+12e=4Al+12(C2H-5:)
電解的電流效率為98%~99%,電壓在1V以下,每公斤鋁的電能消耗率僅為2~3kW·h。副產物Pb (C2H5)4可用作防爆劑。
漢尼巴爾(Hannibal)等人研究了三乙基鋁有機溶液電解過程。他們把NaF?2Al(C2H5)3配合物溶解在甲苯 (CH3C6H5) 中,配合物含量為50%,電解溫度373K,槽電壓1.0~1.5V,電流密度0.3~0.5A/dm2,極間距2~3cm,采用鋁陰極,鋁從陽極上溶解,在陰極上析出高純鋁,陰極電流效率接近100%。用99.99%純度的精鋁作陽極進行有機溶液電解時,可得到純度在99.9995%以上的超純鋁。
物理提純法
主要有定向凝固法、單晶法和區域熔煉法,它們是利用雜質在主成分固液兩相中的分凝效應進行提純的方法。若將含雜質金屬熔化后再凝固,當固液兩相處于平衡狀態時,其所含雜質量是不同的。繼續使金屬液慢慢凝固,則在金屬固體中先后凝固的各部分中雜質含量也不同。這種現象稱為分凝效應。雜質元素在處于平衡狀態下的固液兩相中濃度之比稱為平衡分配系數,或平衡分凝系數,通常以K0表示。
式中Cs為雜質在固相中的濃度,C1為雜質在液相中的濃度。
K0<1,雜質元素趨向于聚集在開始凝固端;K0>1,雜質元素趨向于聚集在最終凝固端;K0=0,雜質元素均勻分布于固液相中,而難于分離。將聚集雜質的凝固端切除,即可得到純金屬。
在金屬實際熔化、凝固過程中,由于受凝固的速率,即凝固過程中的固液相界面的前進速率和雜質在液體中混合程度的影響,實際的分配系數K往往偏離于K0。稱實際的分配系數K為有效分配系數。鋁中一些雜質元素的K0列舉于表。
鋁中一些雜質元素的分配系數K0
定向凝固法又稱正常凝固法。把欲提純的鋁放在容器內全部熔化后,在穩定的溫度下,從溶液中一端緩慢地向另一端冷凝,然后將凝固的固體純端切下,再加以熔化和凝固,達到所要求純度為止。定向凝固生產量大,廣泛用于鋁的提純。
單晶法是用高純鋁籽晶或自生籽晶作為引晶,以一定的旋轉速度以鋁熔體中緩慢平穩地拉制出單晶的提純方法。由于單晶可消除晶粒間界(晶粒間界處雜質較為富集),因而比定向凝固法具有更好的提純效果。
區域熔煉法是使原料一部分在一定時間內熔化,這一熔區在一定的前進速率下移動,產生凝固與熔化作用的兩個界面,雜質在固液相中產生分凝效應而起提純作用。分離雜質的程度隨著熔區通過全部原料的次數的增加而提高。區域熔煉提純效果較定向凝固法好。
鋁區域熔煉是把盛有條狀鋁錠的高純氧化鋁舟置于石英管內,在惰性氣氛中用感應加熱鋁錠形成熔區進行熔煉提純,可保持較狹的熔區和減少來自高溫加熱裝置對產品的污染。純度99.99%的鋁,在0.5cm/h熔區移動速度下,經過三次區熔后,純度可達99.998%以上。為了防止容器污染產品,亦可采用磁懸浮法,因為鋁是表面張力與密度有高比率的材料。
高純鋁中的純度可用它在室溫(298K)的電阻率與在氦液化溫度(4.2K)的電阻率之比ρ298K/ρ4.2K來表征。
高純鋁的應用:
工業高純鋁主要做電解電容器用的陽極箔、電容器引線、集成電路導線、真空蒸發材料、超導體的穩定導體、磁盤合金和高斷裂韌性鋁合金的基體金屬,以及在科研、化工等方面的特殊用途
超高純鋁具有許多優良性能,用途廣泛。它具有比原鋁更好的導電性、延展性、反射性和抗腐蝕性,在電子工業及航空航天等領域有著廣泛的用途。5N5-6N的超高純鋁(每種雜質的最大含量0.4ppm)96%用于半導體器件制造行業,4%用作超導電纜的穩定化材料
在制造集成電路芯片時陰極濺射是一道必不可少的工藝,這是一種特殊的高技術工藝,蒸發的呈等離子狀態的鋁沉積于陰極靶面,即在硅片上形成一層薄薄的均勻的極少缺陷的鋁膜,隨后在膜上涂一層感光性樹脂,經曝光后除去無用的部位即未感光的樹脂,也就是把這些處的樹脂腐蝕掉,而保留的極窄的鋁條便是所需的導電體。陰極濺鍍用的鋁越純,其電導率也就越高超高純鋁的另一重要用途是作為集成電路的配線。超高純鋁中的痕量雜質鈾與釷是越少越好,因為它們是放射性元素,在時時釋放α粒子,從而造成集成電路出現故障,使程序失誤與混亂。TADE生產的5N2高純鋁中U+Th<5ppb(wt%),5N5超高純鋁中U+Th<1ppb(wt%)。
5N及5N5的大尺寸板狀靶材,大規模應用于PDP及TFT-LCD平板顯示器,太陽能電池鍍膜用濺射靶材。板靶原材料中Fe、Si、Cu、V、Ti等雜質完全符合相應標準。在超導領域,超高純鋁用作超導電纜的穩定化材料。
在電子領域5N超純鋁用于制造光電子存儲媒體,如CD、CD-ROM、CD-RW、數據盤或微型盤、DVD銀盤等,在銀盤中用5N超純鋁濺射膜作為光反射層。超純鋁中的雜質含量極少。
雜質含量極少使得超純鋁具有一些特殊的性能優點
典型的性能特點
1.不純物元素含量極低。雜質元素含量越低,金屬間化合物密度越小
2.導電性能良。3RRR值高,在極低溫區的電阻非常小。
3.光反射性能非常強,對紫外線有很高的反射率!