| 单词 | 高纯稀有金属制取方法的进展 |
| 释义 | 【高纯稀有金属制取方法的进展】 随着电子、光学、磁学和光电子等尖端科学技术的发展，对高纯稀有金属材料的需求量日益增大。为了开发稀有金属的新特性以及进行物性的基础研究，要求制备更高纯度的材料。 稀有金属由于分离比较困难，加上金属活性大，要制备高纯金属难度较大。高纯稀有金属的制取需把元素化合物的分离提纯和金属的提纯两者紧密结合起来，缺一不可。电子束熔炼法的进展 20世纪70年代中期已成功地利用1200kW电子束炉来熔炼铝热还原法制得的粗金属铌，铝含量由4%～6%降至0．01%，O＜15×10－3%，N＜5×10－3%，3次熔炼后锭子直径为400mm，锭重达2．5t，熔炼速度为440kg／h。80年代中期用450kW电子束炉生产高纯铌，铌锭重达780kg，质量进一步得到提高。3次熔炼后材料的残余电阻比达到112～135。在用800kW电子束熔炼炉精炼钽时，原料中氧含量为0．46%，在溶速86kg／h时经第1次熔炼后杂质含量(×10－4%)为：O146，Fe＜5，Ni＜5。在熔速为382kg／h时经第2次熔炼后锭中杂质含量(×10－4%)为：O39，Mn9，Si9。德国用电子束熔炼生产出5N(99．999%)的钼和99．995%的钨。电子束炉功率为150kW，高真空泵抽气速率为12000l／s，两次熔炼后最大锭径：钨为60mm，钼为100mm。进行化学精炼和预烧结后的钼经过两次电子束精炼后，其钠和钾含量分别从0．2×10－4%和0．7×10－4%降低到0．02×10－4%和0．05×10－4%，铀的含量只有十亿分之几。电子束熔炼和电子束区熔相结合制取高纯W、Mo，其纯度可达99．996%。主要有3个步骤：(1)两次滴熔，真空度为10－3～10－4Pa，金属中间隙杂质和可蒸发的微量元素能有效地除去。(2)电子束区溶进一步除去其它杂质。(3)用无坩埚熔炼工艺把区熔精炼的小尺寸棒变为常规尺寸的锭子。在超高真空电子束区熔钨时，给试样通入1000A／cm2的直流电，即叠加固相电解效应，可有效地除去钼，钼含量由20×10－4%降至5×10－4%，精炼后钨的剩余电阻比(R．R．R)为60900。蒸馏－升华提纯的进展 稀土金属的蒸馏－升华提纯主要是为了除去稀土金属中的难熔金属(如钽)和某些挥发性稀土金属(Sm、Eu、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Sc)的碳化物、氮化物和氧化物。升华速率一般比较低，在批量生产时为0．5～1kg／h。蒸馏过程的真空度维持在1．33×(10－6～10－7)Pa，而工业生产所用真空度一般不超过1．333×10－4Pa，其产品的间隙杂质含量高一些。Gd、Tb、Lu和Y等中等挥发性稀土金属一般在1575～1725℃进行蒸馏或升华。但由于稀土氧化物在高于1650℃下明显地挥发，在蒸馏或升华进程中对这些稀土金属中的氧没有任何提纯效果。采用真空蒸馏精炼法制得了99．996%的金属硒，其杂质含量为(×10－4%)：Pb＜0．5，Te＜0．5，Cu＜0．5，Fe＜1．0，S＜2．4。用蒸馏法制得了99．996%的金属碲，其杂质含量为(×10－4%)：Cu10，Al10，Mg10，Cl10。溶盐电解精炼的进展 熔盐电解精炼金属铌，有效地除去了杂质Ta、W和Mo，使其含量分别降至(0．Q5～3×10－4、(1～3)×10－7%和1×10－5%。在KCl－NaCl熔盐中电解精炼钛，使用纯度为99%的粗钛作阳极，制得了电子工业用的纯度为99．99%钝钛。熔盐电解和电子束熔炼相结合的工艺用于制取高纯钛。电解是在NaCl-KCl－LiCl等组成的熔盐中进行，温度为500～1000C。原料TiCl4经蒸馏提纯后纯度为99．999%。在析出的钛中含Na、K、Cl等为万分之几，经除去Na、K、C1和O后，其纯度可达到4．5～5N。固相电解法的进展 固相电解法又称电传输或离子迁移法，是在电场作用下，利用杂质离子产生顺序迁移来实现提纯金属。固相电解法除去间隙杂质比除去金属杂质容易得多，因为间隙杂质的迁移率比构成晶格的金属原子的迁移率大100倍，因此固相电解能把O、N、H、C等的含量降低到一个极低值。固相电解是在惰性气体气氛或高真空下，水平固定一根直径数毫米、长度100～200mm的棒状试样。通入大电流将金属加热到赤热状态，温度一般保持在0．6～0．9Tm(Tm为金属熔点)，由于固体中的溶质离子的移动速度很慢，电解时间要求不同，从几天到一个月左右不等。由于蒸气压的关系，Sm、Eu、Tm、Yb等不可能采用固相电解法进行提纯。Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb和Lu等金属已采用固相电解法获得提纯。超高真空(1．333×10－8Pa以上)或超纯惰性气体是使固相电解法获得成功的必要条件。此外，原材料越纯，最终产品的极限纯度也越高。固相电解法的主要缺点是提纯的批量小，周期长。金属钆和铽制成薄条状，放置在1×10－7Pa真空室内，对试样通以400～700A／cm2电流进行固相电解提纯，除去稀土金属中的O、N，日本已将O、N浓度降到1×10－2%以下，而用真空熔炼法时为0．1%。美国国立埃姆斯研究所采用此法已降到1×10－3%。为了提高杂质离子的迁移速度，产生了区熔与固相电解相结合的精炼法。这样可提高提纯效果，缩短生产周期。在电场中区熔提纯稀土金属主要通过3个途径来实现：(1)杂质在液固两相中溶解度的不同；(2)杂质向阳极的迁移；(3)易挥发杂质的挥发。美国埃姆斯研究所采用先区熔后固相电解的工艺制出了超纯稀土金属。首先用区熔精炼，降低其它金属后，再采用二次固相电解降低间隙杂质含量。制得的金属钆的剩余电阻比为730，是目前报导的最高值。区熔－超高真空退火的进展 区熔是提纯稀有金属的一种有效方法，对除去金属杂质特别有效。超高真空电子束区熔能有效地减少V、Nb、Ta中的O和N。对钒进行超高真空电子束区熔12次，氧由11×10－4%减少到6×10－4%以下，剩余电阻比由800增大到1800。日本对市售纯度为99．98%的铌，在6．6×10－3Pa的超高真空下进行多次区熔，在熔融部分氧含量为5×10－6%(为原料中的1／300)，氮含量为(5～7)×10－4%(为原料中的1／6)，碳含量为(0．3～0．4)×10－4%(为原料中的1／8)，提纯效果很好。Fe、Al蒸气压高，除去容易，含量为5×10－4%以下，有时达到1×10－4%。区熔时Ta、W除去困难，含量分别为9×10－2%和15×10－3%。锆的区熔对除去金属杂质有效果，但对除氧效果不好。为了得到更高纯度的金属，有时采用双重区熔法，就是将两根区熔精炼过的棒的中间部分(为棒材长度的一半左右)连接起来加工成新的金属棒，用此料再进行区熔，经多次熔炼后，稀土金属中的金属杂质含量可降至1×10－4at%以下，但对除去O、N、H、C不是特别有效。在区熔铌时，为了降低碳含量，可进行通氧脱碳区熔，在氧分压为1．33×(10－3～10－4)Pa时，进行几次超高真空脱碳区熔，由于生成CO而脱碳，其结果使碳含量由51×10－4%降低到9×10－4%。区熔－超高真空退火工艺一般都是用于制取超高纯难熔金属Ta、Nb等。例如制取超纯铌的一种流程是：电子束熔炼→电解精炼→超高真空电子束熔炼→超高真空区熔→超高真空退火。电解精炼主要是除去Ta、W和Mo，电解精炼后钽含量为(0．05～3)×10－4%，W(1～3)×10－7%，Mo＜1×10－5%，电子束区熔真空度为10－8Pa，为了防止钨的污染，发射阴极也用金属铌制造。德国Max-Plank金属研究所采用上述流程获得了世界上最纯的金属铌，其剩余电阻比大于104，铌中的钽含量为1×10－5%，钨含量为2×10－7%，C、O、N含量均小于1×10－4%。退火时超高真空十分重要，在2300℃铌区熔后单晶退火剩余电阻比随最终压力的降低而增大。光激励精制法的进展 光激励精制法是日本最近开发的激光提纯法，也是一种可望成为提纯稀土金属的最有效的方法。光激励精制的原理是先用电子束使真空室内的稀土金属蒸发，然后用激光照射金属蒸气，对金属进行选择性激励并使之离子化，再将它捕集分离在电极上，从而达到提纯分离的目的。日本在世界上首先证实利用可变激光的光激励精制提纯稀土金属的可行性。原料蒸气相组成为Pr／Nd=1／100，经激光离子化后生成离子组成为Pr／Nd=1／100000，有显著的提纯效果。尾崎等也报告了其研究结果：含Pr1%的钕用光激励精制法进行分离镨提纯钕的实验，选择钕离子化后从电场中回收的钕制成薄膜后，其镨含量为0．0625%，分离效果很好。光激励精制法存在的主要问题是许多原子的激励、离子化波长还不清楚。因为原子中电子的能量是元素固有的，随元素的不同而有差异，要找到与基体原子电子能量相当的波长的光来照射，使这个基体原子离子化，而其它元素原子不离子化。波长可调激光的出现，为光激励精制法的发展创造了有利条件。光激励精制法提纯稀土金属尚处于试验室阶段，为了获得工业应用，还有许多工作要做。光激励精制法同样也可以用来提纯其它稀有金属。(北京有色金属研究总院钟俊辉教授级高工撰) |
| 随便看 |
科学参考收录了7804条科技类词条，基本涵盖了常见科技类参考文献及英语词汇的翻译，是科学学习和研究的有利工具。