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(zhǎng)。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(duì)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(jiǎn)介
高純鋁(High Purity Aluminum)，國(guó)內(nèi)外的定義各不同 [11] 。國(guó)際上把一次鋁叫原鋁，其純度一般為 99.90 %；西方國(guó)家定義高純鋁為純度大于 3N5 的鋁，而中國(guó)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(pán)和硬盤(pán)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)楣庹站鶆颉o(wú)炫光、無(wú)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(guò)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(yáng)極合金溶體層，通過(guò)直流電后，鋁在陽(yáng)極中電解，形成 Al 3+ 離子，然后 Al 3+ 離子再經(jīng)過(guò)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(yáng)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(yáng)極合金中。而陽(yáng)極合金中的鈉、鈣、鎂等電位負(fù)于鋁的元素，通過(guò)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(lái)，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(guó)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(guò)程中與鋁凝固過(guò)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(guò)固體和液相態(tài)的分離，達(dá)到提純的目的 [31] 。可以反復(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(guò)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(duì)高純鋁后續(xù)的研究會(huì)有一定的影響。所以對(duì)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(guò)程產(chǎn)生渦電流進(jìn)行加熱，可以提煉高純度的金屬。
對(duì)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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