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科技成果

TECHNOLOGICAL ACHIEVEMENTS

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高純金屬制備技術詳解

發布時間：

2017-04-12 13:03

　　高純金屬是現代許多高、新技術的綜合產物，雖然20世紀30年代便已出現“高純物質”這一名稱，但把高純金屬的研究和生產提高到重要日程，是在二次世界大戰后，首先是原子能研究需要一系列高純金屬，而后隨著半導體技術、宇航、無線電電子學等的發展，對金屬純度要求越來越高，大大促進了高純金屬生產的發展。
　　純度對金屬有著三方面的意義。 第 一，金屬的一些性質和純度關系密切。純鐵質軟，含雜質的鑄鐵才是堅硬的。另一方面，雜質又是非常有害的，大多數金屬因含雜質而發脆，對于半導體，極微量的雜質就會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，可使半導體器件的電性能受到嚴重影響。第二，純度研究有助闡明金屬材料的結構敏感性、雜質對缺陷的影響等因素，并由此為開發預先給定材料性質的新材料設計創造條件。第三，隨著金屬純度的不斷提高，將進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。而在高純時被便出現低溫塑性，超高純時更具有高溫超塑性。超高純金屬的潛在性能的發現，有可能開闊新的應用領域，在材料學方面打開新的突破口，為高技術的延伸鋪平道路。
　　金屬的純度是相對于雜質而言的，廣義上雜質包括化學雜質（元素）和物理雜質（晶體缺陷）。但是，只有當金屬純度極高時，物理雜質的概念才是有意義的，因此生產上一般仍以化學雜質的含量作為評價金屬純度的標準，即以主金屬減去雜質總含量的百分數表示，常用N（nine的第 一字母）代表。如99.9999％寫為6N,99.99999％寫為7N。此外，半導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R表示純度。國際上關于純度的定義尚無統一標準。一般講，理論的純金屬應是純凈完全不含雜質的，并有恒定的熔點和晶體結構。但技術上任何金屬都達不到不含雜質的純度，故純金屬只有相對含義，它只是表明目前技術上能達到的標準。隨著提純水平的提高，金屬的純度在不斷提高。例如，過去高純金屬的雜質為10-6級（百萬分之幾），而超純半導體材料的雜質達10一9級（十億分之幾），并逐步發展到10一12級（一萬億分之幾）。同時各個金屬的提純難度不盡相同，如半導體材料中稱9N以上為高純，而難熔金屬鎢等達6N已屬超高純。
　　高純金屬制取通常分兩個步驟進行，即純化（初步提純），和超純化（最終提純）。生產法大致分為化學提純和物理提姓兩類。為獲高純金屬，有效除去難以分離的雜質，往往需要將化學提純和物理提純配合使用，即在物理提純的同時，還進行化學提純，如硅在無坩堝區熔融時可用氫作保護氣，如果在氫氣中加入少量水蒸氣，則水與硅中的硼起化學反應，可除去物理提純不能除去的硼。又如采用真空燒結法提純高熔點金屬鉭、鈮等時，為了脫碳，有時需要配人比化學計量稍過量的氧，或為脫氧配人一定數量的碳，這種方法又稱為化學物理提純。