宝(bao)鸡钛(tai)铝靶厂(chang)家谈(tan)高(gao)纯(chun)铝(lv)的应(ying)用(yong)、制(zhi)备及熔炼(lian)工(gong)艺(yi)

金(jin)属元(yuan)素(su)中，铝元素(su)在地壳(ke)中(zhong)含(han)量最高 [1] 。并且铝(lv)及(ji)其合金是(shi)在(zai)日常(chang)生(sheng)活中除钢(gang)铁外(wai)最(zui)常用(yong)的金属及(ji)合金(jin) [2] 。而高纯(chun)铝(lv)比(bi)原铝(lv)有(you)更好(hao)的(de)导电、导热、抗(kang)腐(fu)蚀、导磁(ci)性小等(deng)优良性能，广泛(fan)应(ying)用(yong)于电(dian)子工(gong)业(ye)和电磁构件(jian)中(zhong) [3,4] ，成为一类(lei)不(bu)可或(huo)缺(que)的(de)材料。从(cong) 21 世(shi)纪初，随着(zhe)电子(zi)行业(ye)的飞(fei)速(su)发(fa)展(zhan)，已经从小(xiao)规模集(ji)成电路(lu)(SSI)发(fa)展(zhan)到(dao)大(da)规(gui)模(mo)集成(cheng)电路(lu)(LSl)的时代 [5-7] 。而高纯(chun)铝靶(ba)材(cai)作为集成(cheng)电路(lu)的基(ji)础材(cai)料(liao)需(xu)求量(liang)将(jiang)迅速增长。但是高(gao)纯(chun)铝靶材产(chan)品相(xiang)比纯铝在(zai)性能和(he)组(zu)织(zhi)上有更(geng)高(gao)的要(yao)求，特别是(shi)对(dui)内(nei)部(bu)组(zu)织(zhi)的(de)晶粒尺寸大小和(he)组(zu)织(zhi)均(jun)匀性都(dou)有严(yan)格(ge)的(de)要求(qiu)，这将决(jue)定(ding)着靶材(cai)的(de)溅(jian)射(she)速率(lv)和薄(bao)膜厚(hou)度沉(chen)积(ji)的(de)均(jun)匀性(xing) [8,9] 。特(te)别是(shi)在(zai)集成(cheng)电(dian)路芯片和(he)LED 中，要(yao)求高纯铝(lv)靶(ba)材的晶粒(li)尺寸小(xiao)于(yu) 200 μm，并且(qie)有良(liang)好的(de)均匀性(xing)，而(er)且随着(zhe)靶(ba)材的大型(xing)化(hua)，其力学(xue)性(xing)能也需要(yao)满足一定(ding)的要(yao)求 [10] 。

1、高(gao)纯铝(lv)简(jian)介(jie)

高纯(chun)铝(High Purity Aluminum)，国(guo)内(nei)外的(de)定义(yi)各不同 [11] 。国际上把(ba)一(yi)次(ci)铝叫(jiao)原铝，其(qi)纯(chun)度(du)一般(ban)为(wei) 99.90 %；西(xi)方(fang)国(guo)家定义高纯(chun)铝为(wei)纯度(du)大(da)于 3N5 的铝，而中国(guo)将(jiang)纯(chun)度大于(yu) 4N6 的(de)铝(lv)称为高纯(chun)铝(lv) [12,13] 。

高(gao)纯(chun)铝的(de)纯度(du)表示(shi)方法(fa)主(zhu)要有(you)以(yi)下(xia)两种:

1）直接用百分(fen)数(shu)表(biao)达成(cheng)分，如 99.96 %、99.999 %等 [14] ;

2）用 “ 数(shu) 字 +N” 或 “ 数 字 +N+ 数 字(zi) ” 方 式(shi) 表 示 成(cheng) 分 ， 如 5N(99.999%) 、4N5(99.995 %)等(deng)。也可(ke)用(yong)“4N+”表示纯度在 4N 与(yu) 5N 之(zhi)间 [15] 。

2、高纯(chun)铝(lv)的(de)应(ying)用

高(gao)纯(chun)铝因(yin)为(wei)具有独特的(de)优良性能(neng)，广(guang)泛应用(yong)于(yu)电(dian)子(zi)工(gong)业(ye)、航(hang)天(tian)航(hang)天工(gong)业(ye)和光学(xue)应(ying)用(yong)等(deng)领域中 [16] 。

1）电子工(gong)业

高(gao)纯(chun)铝(lv)最主要的应用就是(shi)在电(dian)子产(chan)品领(ling)域，可(ke)以用(yong)作(zuo)集(ji)成(cheng)电(dian)路(lu)的(de)键(jian)合(he)线，储存光(guang)盘(pan)和硬(ying)盘(pan)等电子器件(jian)中 [17] 。

2）航空航(hang)天(tian)工(gong)业

主(zhu)要(yao)运(yun)用(yong)高纯铝(lv)研(yan)发制(zhi)作最(zui)新动力的(de)航天推动(dong)器—等(deng)离子帆 [18] 。

3）交(jiao)通(tong)领域

因为(wei)高(gao)纯(chun)铝具(ju)有低(di)的(de)磁(ci)导(dao)率(lv)和(he)良(liang)好(hao)的导(dao)电(dian)率，可(ke)以(yi)作(zuo)为(wei)磁(ci)悬(xuan)浮(fu)材(cai)料用于(yu)高(gao)速(su)轨道(dao)交通中(zhong)。并(bing)且(qie)可(ke)以结合高(gao)纯(chun)铝(lv)材(cai)料(liao)合(he)成高性(xing)能(neng)合金，运(yun)用(yong)在(zai)高速(su)轨(gui)道交通列(lie)车(che)中(zhong) [19,20] 。

4） 能(neng)源领(ling)域

可(ke)以运用到新型的铝(lv)/空(kong)气电池(chi)。运用(yong)高纯铝作(zuo)为正(zheng)极(ji)，氧为阴(yin)极(ji)，理(li)论(lun)比能(neng)量明显(xian)高(gao)于(yu)铅(qian)酸(suan)电(dian)池(chi)和锂(li)电(dian)池。并(bing)且铝(lv)的(de)电化当(dang)量比锌(xin)小(xiao)，同(tong)质(zhi)量铝/空气电(dian)池是(shi)锌(xin)/空(kong)气(qi)电池放电量的 4 倍 [21-23] 。

5）光(guang)学(xue)应(ying)用方面

高(gao)纯(chun)铝反射(she)器因(yin)为光(guang)照(zhao)均(jun)匀、无(wu)炫(xuan)光(guang)、无重影(ying)和(he)扩(kuo)散性好等优点，广(guang)泛(fan)应(ying)用于(yu)汽(qi)车照明(ming)和(he)路(lu)灯(deng)照明中(zhong)。并(bing)且(qie)作为反光(guang)面在大(da)型(xing)的天文望(wang)远镜中(zhong)有很(hen)多大的应用(yong)前景(jing) [24,25] 。

6）化(hua)工(gong)、冶金工业(ye)

高(gao)纯(chun)铝具有良(liang)好(hao)的(de)耐(nai)腐(fu)蚀特(te)性(xing)，可以作(zuo)为(wei)化工反(fan)应(ying)和储(chu)存设备(bei)。并(bing)且，还(hai)可以(yi)用于(yu)喷(pen)涂(tu)材(cai)料和薄膜溅(jian)射(she)材料 [26] 。

3、高(gao)纯(chun)铝的(de)制备(bei)

因为(wei)高纯铝具有广(guang)泛(fan)的(de)应(ying)用价(jia)值，促(cu)进着高(gao)纯(chun)铝(lv)提纯(chun)工艺(yi)的(de)研(yan)究发(fa)展，截(jie)止(zhi)到目(mu)前，在(zai)高纯铝精炼(lian)工(gong)艺技术(shu)中，工业上应(ying)用最(zui)广(guang)泛的是三(san)层液电(dian)解(jie)法(fa)与偏(pian)析(xi)法 [27,28] 。

1） 三(san)层(ceng)液电解(jie)精(jing)炼(lian)法

三(san)层液(ye)电(dian)解(jie)法是目(mu)前(qian)工业提纯高(gao)纯铝最常用(yong)的方(fang)法(fa)，主(zhu)要(yao)是因为在电(dian)解(jie)精炼(lian)体(ti)系中，根(gen)据(ju)溶(rong)体组(zu)成密(mi)度的不同分成(cheng)上中(zhong)下三(san)层而(er)命名(ming)。其基(ji)本原理是(shi)一种(zhong)电(dian)化学反应过(guo)程，根据(ju)不同(tong)密(mi)度形成的液(ye)体分层(ceng)分(fen)别(bie)是(shi)上层的精铝层，中层(ceng)的电解质层和下(xia)层(ceng)的(de)阳(yang)极(ji)合金(jin)溶体(ti)层，通(tong)过(guo)直流电后，铝(lv)在(zai)阳(yang)极(ji)中电(dian)解，形成(cheng) Al 3+ 离子(zi)，然后 Al 3+ 离(li)子再经(jing)过(guo)电(dian)解液(ye)后，在(zai)阴(yin)极(ji)中(zhong)放电(dian)生(sheng)成(cheng) Al。电(dian)化学(xue)反(fan)应式如下所(suo)示:

阳(yang)极:Al-3e= Al 3+

阴极(ji):Al 3+ +3e=Al

因(yin)为(wei)金属元素在电解液(ye)中有(you)不同(tong)的(de)电(dian)极电位(wei)，特(te)别是(shi)在(zai)合金中(zhong)的(de)铜、硅、铁等(deng)元(yuan)素的电位(wei)都正于铝(lv)不溶(rong)解，所以(yi)在(zai)合适的(de)溶度(du)范围内(nei)都聚集滞(zhi)留(liu)在阳(yang)极合(he)金中(zhong)。而阳极(ji)合(he)金(jin)中的(de)钠(na)、钙(gai)、镁(mei)等电位(wei)负(fu)于铝的(de)元(yuan)素(su)，通(tong)过电化学反(fan)应生(sheng)成(cheng)钠(na)离(li)子、钙离子(zi)、镁离子在电解(jie)液中移动聚集(ji)起来(lai)，只(zhi)要不(bu)改变(bian)电解(jie)的环境(jing)，如电(dian)解(jie)液(ye)溶(rong)度、电(dian)流大小(xiao)和(he)温(wen)度(du)，就(jiu)不会(hui)在(zai)阴极(ji)析出(chu)，所(suo)以铝(lv)离子就在(zai)阴(yin)极上不(bu)断(duan)析(xi)出获(huo)得高(gao)纯度(du)的铝 [29] 。

2）偏(pian)析熔(rong)炼(lian)法

三层液电解法最(zui)重(zhong)要(yao)的一个缺点(dian)就(jiu)是电(dian)能消(xiao)耗量(liang)高。所(suo)以一些发(fa)达国(guo)家，特别(bie)是(shi)日本已(yi)经(jing)广泛使(shi)用(yong)能(neng)耗低，成(cheng)本低(di)的偏析法(fa)生产(chan)高纯(chun)铝(lv)，逐(zhu)渐淘汰(tai)掉(diao)三(san)层电(dian)解(jie)法 [30] 。其基本原理(li):就是(shi)利用(yong)杂(za)质元(yuan)素(su)在(zai)液态凝(ning)固(gu)过程(cheng)中与(yu)铝凝(ning)固过程(cheng)中两(liang)相(xiang)间(jian)的偏(pian)析的差(cha)异(yi)使(shi)主(zhu)体金(jin)属(shu)铝(lv)以纯净的(de)固体析出，而其他杂(za)质还(hai)处于(yu)液相态(tai)，通过固体和液相(xiang)态(tai)的分(fen)离(li)，达(da)到(dao)提(ti)纯(chun)的(de)目的 [31] 。可以(yi)反复进(jin)行得(de)到(dao) 5N 的高纯(chun)铝。

4、高(gao)纯(chun)铝的真(zhen)空(kong)熔炼(lian)

因为高(gao)纯(chun)铝(lv)的纯度(du)非(fei)常高(gao)，在高纯(chun)铝(lv)的放(fang)置(zhi)或者运输过程(cheng)中(zhong)会有(you)被(bei)杂物污(wu)染(ran)的(de)现象(xiang)，并(bing)会(hui)有(you)气(qi)体(ti)杂质的(de)进入(ru)。而且高纯铝极(ji)易发生(sheng)氧(yang)化，对(dui)高纯铝(lv)后(hou)续的研(yan)究会有(you)一定的影(ying)响(xiang)。所以对高(gao)纯(chun)铝(lv)进行(xing)真(zhen)空(kong)感应熔(rong)炼(lian)，在真空环境中(zhong)利(li)用电(dian)磁感(gan)应(ying)过程产生涡电(dian)流(liu)进行(xing)加(jia)热，可(ke)以提(ti)炼(lian)高纯度(du)的(de)金(jin)属(shu)。

对(dui)高纯铝进(jin)行真(zhen)空感(gan)应(ying)熔(rong)炼，其目的可以(yi)改善(shan)铸锭的质量(liang)，降(jiang)低高(gao)纯铝(lv)锭的(de)气体含量，消(xiao)除(chu)内(nei)部和表(biao)面(mian)缺(que)陷，提(ti)高(gao)金属的(de)纯(chun)洁度。

相(xiang)关链(lian)接(jie)