金屬元素中，鋁元素在地殼中含量最高 [1] 。并且鋁及其合金是在日常生活中除鋼鐵外最常用的金屬及合金 [2] 。而高純鋁比原鋁有更好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗腐蝕、導(dǎo)磁性小等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)和電磁構(gòu)件中 [3,4] ，成為一類不可或缺的材料。從 21 世紀(jì)初，隨著電子行業(yè)的飛速發(fā)展，已經(jīng)從小規(guī)模集成電路(SSI)發(fā)展到大規(guī)模集成電路(LSl)的時(shí)代 [5-7] 。而高純鋁靶材作為集成電路的基礎(chǔ)材料需求量將迅速增長。但是高純鋁靶材產(chǎn)品相比純鋁在性能和組織上有更高的要求，特別是對內(nèi)部組織的晶粒尺寸大小和組織均勻性都有嚴(yán)格的要求，這將決定著靶材的濺射速率和薄膜厚度沉積的均勻性 [8,9] 。特別是在集成電路芯片和LED 中，要求高純鋁靶材的晶粒尺寸小于 200 μm，并且有良好的均勻性，而且隨著靶材的大型化，其力學(xué)性能也需要滿足一定的要求 [10] 。
1、高純鋁簡介
高純鋁(High Purity Aluminum)，國內(nèi)外的定義各不同 [11] 。國際上把一次鋁叫原鋁，其純度一般為 99.90 %；西方國家定義高純鋁為純度大于 3N5 的鋁，而中國將純度大于 4N6 的鋁稱為高純鋁 [12,13] 。
高純鋁的純度表示方法主要有以下兩種:
1）直接用百分?jǐn)?shù)表達(dá)成分，如 99.96 %、99.999 %等 [14] ;
2）用 “ 數(shù) 字 +N” 或 “ 數(shù) 字 +N+ 數(shù) 字 ” 方 式 表 示 成 分 ， 如 5N(99.999%) 、4N5(99.995 %)等。也可用“4N+”表示純度在 4N 與 5N 之間 [15] 。
2、高純鋁的應(yīng)用
高純鋁因?yàn)榫哂歇?dú)特的優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、航天航天工業(yè)和光學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域中 [16] 。
1）電子工業(yè)
高純鋁最主要的應(yīng)用就是在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，可以用作集成電路的鍵合線，儲(chǔ)存光盤和硬盤等電子器件中 [17] 。
2）航空航天工業(yè)
主要運(yùn)用高純鋁研發(fā)制作最新動(dòng)力的航天推動(dòng)器—等離子帆 [18] 。
3）交通領(lǐng)域
因?yàn)楦呒冧X具有低的磁導(dǎo)率和良好的導(dǎo)電率，可以作為磁懸浮材料用于高速軌道交通中。并且可以結(jié)合高純鋁材料合成高性能合金，運(yùn)用在高速軌道交通列車中 [19,20] 。
4） 能源領(lǐng)域
可以運(yùn)用到新型的鋁/空氣電池。運(yùn)用高純鋁作為正極，氧為陰極，理論比能量明顯高于鉛酸電池和鋰電池。并且鋁的電化當(dāng)量比鋅小，同質(zhì)量鋁/空氣電池是鋅/空氣電池放電量的 4 倍 [21-23] 。
5）光學(xué)應(yīng)用方面
高純鋁反射器因?yàn)楣庹站鶆?、無炫光、無重影和擴(kuò)散性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車照明和路燈照明中。并且作為反光面在大型的天文望遠(yuǎn)鏡中有很多大的應(yīng)用前景 [24,25] 。
6）化工、冶金工業(yè)
高純鋁具有良好的耐腐蝕特性，可以作為化工反應(yīng)和儲(chǔ)存設(shè)備。并且，還可以用于噴涂材料和薄膜濺射材料 [26] 。
3、高純鋁的制備
因?yàn)楦呒冧X具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)著高純鋁提純工藝的研究發(fā)展，截止到目前，在高純鋁精煉工藝技術(shù)中，工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的是三層液電解法與偏析法 [27,28] 。
1） 三層液電解精煉法
三層液電解法是目前工業(yè)提純高純鋁最常用的方法，主要是因?yàn)樵陔娊饩珶掦w系中，根據(jù)溶體組成密度的不同分成上中下三層而命名。其基本原理是一種電化學(xué)反應(yīng)過程，根據(jù)不同密度形成的液體分層分別是上層的精鋁層，中層的電解質(zhì)層和下層的陽極合金溶體層，通過直流電后，鋁在陽極中電解，形成 Al 3+ 離子，然后 Al 3+ 離子再經(jīng)過電解液后，在陰極中放電生成 Al。電化學(xué)反應(yīng)式如下所示:
陽極:Al-3e= Al 3+
陰極:Al 3+ +3e=Al
因?yàn)榻饘僭卦陔娊庖褐杏胁煌碾姌O電位，特別是在合金中的銅、硅、鐵等元素的電位都正于鋁不溶解，所以在合適的溶度范圍內(nèi)都聚集滯留在陽極合金中。而陽極合金中的鈉、鈣、鎂等電位負(fù)于鋁的元素，通過電化學(xué)反應(yīng)生成鈉離子、鈣離子、鎂離子在電解液中移動(dòng)聚集起來，只要不改變電解的環(huán)境，如電解液溶度、電流大小和溫度，就不會(huì)在陰極析出，所以鋁離子就在陰極上不斷析出獲得高純度的鋁 [29] 。
2）偏析熔煉法
三層液電解法最重要的一個(gè)缺點(diǎn)就是電能消耗量高。所以一些發(fā)達(dá)國家，特別是日本已經(jīng)廣泛使用能耗低，成本低的偏析法生產(chǎn)高純鋁，逐漸淘汰掉三層電解法 [30] 。其基本原理:就是利用雜質(zhì)元素在液態(tài)凝固過程中與鋁凝固過程中兩相間的偏析的差異使主體金屬鋁以純凈的固體析出，而其他雜質(zhì)還處于液相態(tài)，通過固體和液相態(tài)的分離，達(dá)到提純的目的 [31] ?？梢苑磸?fù)進(jìn)行得到 5N 的高純鋁。
4、高純鋁的真空熔煉
因?yàn)楦呒冧X的純度非常高，在高純鋁的放置或者運(yùn)輸過程中會(huì)有被雜物污染的現(xiàn)象，并會(huì)有氣體雜質(zhì)的進(jìn)入。而且高純鋁極易發(fā)生氧化，對高純鋁后續(xù)的研究會(huì)有一定的影響。所以對高純鋁進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，在真空環(huán)境中利用電磁感應(yīng)過程產(chǎn)生渦電流進(jìn)行加熱，可以提煉高純度的金屬。
對高純鋁進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，其目的可以改善鑄錠的質(zhì)量，降低高純鋁錠的氣體含量，消除內(nèi)部和表面缺陷，提高金屬的純潔度。
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