La historia del desarrollo de la tecnología de preparación de metales puros.

Revisión de la historia del desarrollo de los materiales metálicos

Edad de Piedra (hace 5.000 años) → Edad del Bronce (hace 1.200 años) → Edad del Hierro

El Museo Sanxingdui está ubicado en la esquina noreste del sitio Sanxingdui, una unidad de protección de reliquias culturales clave a nivel nacional, en el río Duck en el oeste de la ciudad de Guanghan, provincia de Sichuan, 38 kilómetros al sur de Chengdu y 26 kilómetros al norte de Deyang. . Es un museo de ruinas de temática moderna a gran escala en China. La primera piedra se colocó en agosto de 1992 y se inauguró oficialmente en octubre de 1997.

Proceso de excavación

1. Período inicial (1929-1934)

En 1929, se descubrió un pozo de jade en Yan Jiayuan, aldea de Zhenwu, sitio de Sanxingdui. y se desenterraron entre trescientos y cuatrocientos artículos de jade.

En 1931, el sacerdote británico Dong Yi viajó y la mayoría de los jades desenterrados en 1929 eran propiedad del Museo de la Universidad de China Occidental.

En 1932, Ge, director del Museo de la Universidad de China Occidental, propuso la idea de una excavación arqueológica en Guanghan, que fue aprobada por el Departamento de Educación del Gobierno Provincial de Sichuan.

Ge Hedu llegó a Guanghan.

En marzo, Ge y Lin limpiaron pozos de jade cerca de la aldea de Zhenwu e intentaron cavar trincheras en los lados este y oeste.

2. Investigación preliminar y excavación (1951-1963)

En 1951, Wang Jiayou y Jiang Dianchao del Museo Provincial de Sichuan investigaron Sanxingdui y Moon Bay y descubrieron grandes ruinas antiguas del primer tiempo.

En 1958, el Grupo de Investigación y Enseñanza de Arqueología del Departamento de Historia de la Universidad de Sichuan investigó nuevamente el sitio de Sanxingdui.

En 1963, el sitio de Sanxingdui fue excavado conjuntamente por el Museo Provincial de Sichuan y el Departamento de Historia de la Universidad de Sichuan. La reunión estuvo presidida por Feng, un famoso arqueólogo, director del Museo Provincial de Sichuan y profesor del Departamento de Historia de la Universidad de Sichuan.

3. Excavación de Liangkeng y reconstrucción de la ciudad antigua (1980-2005)

En 1980-1981, el Comité Provincial de Gestión de Reliquias Culturales de Sichuan y el condado de Guanghan excavaron conjuntamente el sitio de Sanxingdui para la primera vez, exponiendo el terreno de una casa de gran superficie.

1982 165438+Octubre ~ 83 65438+Octubre, el sitio de Sanxingdui fue excavado por segunda vez y se descubrió un horno de cerámica por primera vez en el sitio de Sanxingdui.

La tercera excavación del sitio de Sanxingdui se llevó a cabo de marzo a febrero de 1984. La acumulación cultural desde el período Longshan hasta principios de la dinastía Zhou Occidental fue excavada en Xiquankan, y los límites superior e inferior del sitio de Sanxingdui fueron determinados.

1984 65438+febrero ~ 1985 65438+octubre, la cuarta excavación del sitio de Sanxingdui encontró que el terraplén de Sanxingdui fue embestido artificialmente, y por primera vez surgió la idea de que el sitio de Sanxingdui era la capital de Shu. Se propuso el Reino.

De marzo a mayo de 1986, el Comité Provincial de Gestión de Reliquias Culturales de Sichuan, el Instituto Provincial de Arqueología y Reliquias Culturales de Sichuan, el Departamento de Historia de la Universidad de Sichuan y el condado de Guanghan llevaron a cabo conjuntamente la quinta excavación del sitio de Sanxingdui. , que cubre un área de 1.200 metros cuadrados, se descubrió una gran cantidad de cenizas y restos de casas, lo que llevó el límite de edad del sitio de Sanxingdui a hace 5.000 años.

El 18 de julio de 1986, una fábrica de ladrillos local descubrió un foso de sacrificio mientras recogía tierra en el área de excavación secundaria y desenterró herramientas de piedra y jade. La sexta excavación del sitio de Sanxingdui.

El 18 de julio de 1986, el Comité Provincial de Gestión de Reliquias Culturales de Sichuan, el Instituto Provincial de Arqueología y Reliquias Culturales de Sichuan y el condado de Guanghan excavaron conjuntamente el foso de sacrificio, que fue numerado como Foso de Sacrificio No. 1. Se desenterraron un total de 420 piezas de bronce, oro, jade, ámbar, piedra, cerámica y otros artefactos, así como 13 piezas de marfil.

El 14 de agosto, el Pozo de Sacrificio No. 2 fue descubierto a unos 30 metros al sureste del Pozo de Sacrificio No. 1.

El 20 de agosto, se excavó y limpió el foso de sacrificio número 2, y se desenterraron un total de 1.302 reliquias culturales preciosas, como cobre, oro, jade y piedra (incluidos fragmentos e individuos identificables). 67 colmillos de marfil, mar Hay alrededor de 4.600 conchas.

1988 Octubre Se llevó a cabo la séptima excavación del sitio de Sanxingdui. Se excavó de prueba la cresta de suelo de Sanxingdui y se determinó que la cresta de suelo era la pared sur de la muralla interior de la ciudad. ~Enero de 1989

1990 65438+ De octubre a mayo, se llevó a cabo la octava excavación conjunta del sitio de Sanxingdui en el muro este. Por primera vez, se descubrió la estructura, el método de embestida y la edad. Se conocía la antigua muralla de la ciudad de Sanxingdui.

En marzo, se celebró una reunión de demostración para el plan de restauración de los árboles de cobre desenterrados del foso de sacrificio en el sitio de Sanxingdui para preensamblar los árboles de cobre.

Emitido conjuntamente por el Comité Provincial de Gestión de Reliquias Culturales de Sichuan y el Instituto Provincial de Arqueología y Reliquias Culturales de Sichuan el 65438 + 9 de febrero de 1991.

~ En mayo de 1992, se excavó el sitio de Sanxingdui y se confirmó la muralla occidental de la ciudad mediante una excavación de prueba.

En octubre de 1994, el Comité Provincial de Gestión de Reliquias Culturales de Sichuan y el Instituto Provincial de Arqueología y Reliquias Culturales de Sichuan excavaron el sitio de Sanxingdui por décima vez. A través de la investigación, descubrieron la pared sur del sitio de Sanxingdui y. realizó excavaciones de prueba.

En octubre de 1996, China y Japón cooperaron para realizar trabajos arqueológicos ambientales en el sitio de Sanxingdui. El proyecto principal fue el campo magnético.

~ 165438+Octubre Detección de radar, detección y fotografía por teledetección por infrarrojos, análisis de imágenes satelitales, estudio de microformas terrestres, datación por carbono, análisis de polen, análisis de cuerpos silíceos, análisis de diatomeas, etc.

En octubre de 1997, el Comité Provincial de Gestión de Reliquias Culturales de Sichuan y el Instituto Provincial de Arqueología y Reliquias Culturales de Sichuan excavaron el sitio de Sanxingdui por undécima vez y excavaron el cementerio de la fábrica de ladrillos Rensheng en el sitio de Sanxingdui. Se descubrieron un total de 28 tumbas y se encontró una gran cantidad de herramientas de jade. Entre ellos, el descubrimiento de "conos de jade" con el estilo cultural Liangzhu ha hecho que los investigadores reconsideren los orígenes culturales del jade Sanxingdui.

1999 65438+Octubre ~ El Comité Provincial de Gestión de Reliquias Culturales de Sichuan y el Instituto Provincial de Arqueología y Reliquias Culturales de Sichuan excavaron la muralla de la ciudad de Moon Bay del sitio Sanxingdui por duodécima vez. desde Longshan hasta principios de la dinastía Shang se encontraron debajo de la muralla de la ciudad. La muralla de la ciudad se superpone con las acumulaciones en las Ruinas Yin, se puede determinar que la muralla de la ciudad de Moon Bay data de las primeras Ruinas Yin.

Del 5438+2 de junio de 2000 al 5438+0 de julio de 2006, el Comité Provincial de Gestión de Reliquias Culturales de Sichuan y el Instituto Provincial de Arqueología y Reliquias Culturales de Sichuan llevaron a cabo la decimotercera excavación del sitio de Sanxingdui. En Yanjiayuan se descubrió una gran cantidad de acumulaciones culturales del sitio Sanxingdui Fase IV, lo que dio a la gente una comprensión clara de las características culturales y el límite de época del sitio Sanxingdui Fase IV.

En marzo de 2005, el Comité Provincial de Gestión de Reliquias Culturales de Sichuan y el Instituto Provincial de Arqueología y Reliquias Culturales de Sichuan llevaron a cabo la decimocuarta excavación del sitio de Sanxing. En Guan Qingshan se descubrieron los cimientos de un gran edificio de tierra apisonada.

Trabajo de seguimiento (2005 al presente)

Actualmente, la Estación de Trabajo Arqueológico del Sitio de Sanxingdui está trabajando arduamente para compilar un informe completo sobre el Sitio de Sanxingdui.

Se espera que este trabajo esté terminado a principios de 2008.

Pregunta: ¿Se puede cambiar "metal común" por "metal precioso"?

El oro y la plata se denominan "metales preciosos" debido a sus hermosos y raros colores, mientras que otros metales se denominan "metales básicos" en consecuencia.

La alquimia espera convertir metales comunes en metales preciosos mediante ciertos procesos, lo que promueve objetivamente el desarrollo de la ciencia de los materiales. En los siguientes 1.000 años, la gente acumuló cierta experiencia en la preparación de materiales, sentando las bases para la formación y el desarrollo de la ciencia de los materiales después del siglo XIX.

Varios "alquimistas" famosos Moore, Boyle y Newton.

En 1711 apareció en Inglaterra un alto horno de seis metros de altura y 2,5 metros cuadrados, con una producción diaria de seis toneladas de hierro. 1856 ¿el inglés Enrique? Bessel refinó por primera vez el acero a partir del hierro.

La alquimia se centra en operaciones prácticas y esta tecnología es realmente beneficiosa para las generaciones futuras. Muchos equipos y tecnologías utilizados en la química moderna se desarrollaron a partir de esto, y la fabricación de algunos materiales modernos en tecnología de refinación de petróleo, tecnología de purificación de agua, caucho sintético y tecnología farmacéutica están estrechamente relacionados con esto.

Desde finales del siglo XIX hasta mediados del siglo XX.

Acero de baja aleación y alta resistencia → acero de ultra alta resistencia → acero de aleación para herramientas → acero de alta velocidad.

Acero inoxidable → acero resistente al calor → acero resistente al desgaste → acero eléctrico.

Aleación de aluminio→Aleación de cobre→Aleación de titanio→Aleación de tungsteno→Aleación de molibdeno

Los materiales metálicos siguen ocupando una posición dominante en la familia de materiales.

Principales ventajas:

1. Los materiales metálicos tienen propiedades mecánicas integrales, alta confiabilidad y son seguros de usar.

2. Buen rendimiento tecnológico;

3. Reservas ricas, adecuadas para aplicaciones a gran escala.

Materiales siderúrgicos

Desde la Revolución Industrial, el acero ha sido el material más importante utilizado por la humanidad y la base de la industrialización nacional. La capacidad de producción de acero es un símbolo importante de la fortaleza integral de un país. En la actualidad, la producción mundial de acero sigue aumentando año tras año.

Qi Xiangdong, secretario general de la Asociación de la Industria del Hierro y el Acero de China, dijo que en 2005, la industria del acero debería hacer del control estricto de la inversión en activos fijos una máxima prioridad y al mismo tiempo mejorar aún más la calidad y la eficiencia de la industria siderúrgica.

La tendencia de desarrollo de la industria del acero

La estructura del producto está cambiando: la proporción de productos de alto valor añadido, como placas, tubos y flejes, ha aumentado significativamente.

La concentración industrial ha mejorado aún más: el número de empresas con una producción de acero de más de 5 millones de toneladas ha aumentado de 13 a 15, lo que representa el 45% de la producción de acero del país.

Principales áreas de aplicación: como material más importante en la industria, la posición dominante de los materiales de acero no se verá afectada durante mucho tiempo.

Sistema de potencia: calderas industriales, tubos de intercambio de calor, grandes rotores e impulsores, etc.

Industria de la automoción: principales industrias de piezas estructurales, tornos y maquinaria.

Ferrocarriles y puentes, barcos y plataformas de perforación marinas, industria armamentista: tanques, cañones, armas de fuego.

Maquinaria para extracción de petróleo y oleoductos, recipientes a presión para productos químicos, barras y marcos de acero para la construcción,

Metales no ferrosos

Los materiales metálicos no ferrosos son una parte importante de los materiales metálicos. . Aunque su producción es sólo el 6% del acero, a veces juega un papel insustituible con sus propiedades únicas.

Aleación de aluminio: La aleación de metal ligero más importante, con baja densidad (2,7g/cm3), resistencia a la corrosión atmosférica, buena conductividad eléctrica, alta resistencia específica y buen rendimiento de procesamiento. Es un material estructural importante en la industria de la aviación y en diversos campos industriales.

Aleación de titanio: baja densidad (4,5 g/cm3), alta resistencia, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión y tiene importantes aplicaciones en el sector aeroespacial y otros campos industriales.

Aleación de magnesio: la densidad es de solo 1,7 g/cm3, tiene una alta resistencia específica y una gran capacidad de absorción de vibraciones. Ocupa una posición importante en el campo aeroespacial.

Aleación de berilio: densidad 1,8 g/cm3, alta rigidez específica, estabilidad dimensional, pequeña inercia, alto calor específico, utilizada para navegación inercial y piezas rígidas aeroespaciales de bajo peso, y puede usarse para disipadores de calor y cabezas de avión; sección transversal de alta reflexión de neutrones, utilizada en la capa reflectante de los reactores de energía atómica.

Aleación de cobre: ​​utilizada en maquinaria, instrumentos, motores, rodamientos, automóviles y otras industrias.

Aleación de zinc: utilizada en placas de zinc para baterías, planchas fotográficas y de impresión offset, moldes y piezas de instrumentos.

Aleación de níquel: La temperatura de funcionamiento puede alcanzar los 1050°C y se utiliza para componentes de alta temperatura en aviación, motores de cohetes y reactores.

Aleación de manganeso: buena amortiguación de vibraciones, utilizada en hélices de submarinos, tubos de perforación, etc.

Aleación de plomo, aleación de estaño: se utiliza en fusibles, fusibles, soldaduras, etc.

Aleación de tungsteno: punto de fusión 3407 °C, alta densidad (19,3 g/cm3), se puede utilizar para proyectiles perforantes de alta potencia.

Aleación de molibdeno: el punto de fusión es 2610 ℃ y tiene una alta resistencia específica a 1100-1650 ℃.

Aleación de niobio: punto de fusión 2477°C, utilizada como material de alta temperatura en sistemas de propulsión de aviones y naves espaciales.

Oro, plata, platino, paladio, rodio, iridio, etc. : Buena inercia química, color brillante, solidez del color a largo plazo y puede usarse como decoración, cables de circuitos electrónicos, resistencias de precisión, termopares, etc.

La historia del desarrollo de la metalografía

Aunque los materiales metálicos se han utilizado en la sociedad humana durante mucho tiempo, durante mucho tiempo, las tecnologías relacionadas de los materiales metálicos solo permanecieron en la etapa manual. A las personas con habilidades relevantes sólo se les puede llamar artesanos. La razón es que sólo tienen experiencia y no comprenden la naturaleza de los materiales metálicos.

En 1861, un inglés, Shoby, utilizó por primera vez un microscopio óptico para estudiar la microestructura de los metales y obtuvo una comprensión preliminar de la microestructura de los metales, creando así una nueva disciplina: la metalografía.

1905 Los rayos X se utilizaron en la investigación de metales y se descubrió la regularidad de la disposición de los átomos metálicos.

Nació la metalurgia

Los seres humanos han comprendido mejor la microestructura interna de los metales, han descubierto muchas leyes científicas y han explicado muchos fenómenos que no se entendían en el pasado.

La aparición de los microscopios electrónicos permite comprender con más detalle la estructura interna de los metales, y la comprensión de su mundo microscópico ha dado un gran paso adelante.

En los últimos 20 años, se han desarrollado con éxito varios equipos de análisis microscópico electrónico y la gente ya puede ver la disposición de los átomos en los materiales, lo que ha llevado la investigación de materiales metálicos a una nueva etapa.

Explora continuamente nuevas funciones: aleaciones de alta temperatura, aleaciones de titanio, compuestos intermetálicos, aleaciones amortiguadoras, aleaciones superconductoras, aleaciones con memoria de forma, aleaciones de almacenamiento de hidrógeno, materiales nanometálicos, materiales metálicos amorfos.

Metal amorfo

En 1960, el grupo Duwez de la Universidad de California en Estados Unidos obtuvo por primera vez la aleación amorfa (Au70Si30) mediante tecnología de enfriamiento rápido, y descubrió que Las aleaciones amorfas tienen muchas ventajas que las aleaciones convencionales no pueden igualar.

Tiene la mayor resistencia, la mejor tenacidad, la mayor resistencia a la corrosión y la magnetización más fácil.

Estructura amorfa: Tanto los cristalinos como los amorfos son verdaderos sólidos. Los cristales están ordenados a largo plazo y las posiciones de equilibrio de los átomos en el cristal son conjuntos periódicos traslacionales. Los cristales amorfos están desordenados de largo alcance, ordenados de corto alcance y la disposición atómica no es periódica. También se le llama vidrio metálico.

Las propiedades cinéticas de la transición vítrea están relacionadas con la velocidad de enfriamiento. A medida que aumenta la velocidad de enfriamiento, la temperatura de transición vítrea disminuye.

Para poder congelar los átomos para mantener el desplazamiento del sólido amorfo, el tiempo de relajación atómica (T) debe ser mayor que el tiempo de enfriamiento experimental.

Los sólidos amorfos se encuentran en un estado metaestable en comparación con la fase cristalina, que es el estado de equilibrio termodinámico de menor energía.

Una vez formado, el vidrio metálico puede durar casi indefinidamente.

El proceso básico de la cristalización: nucleación y crecimiento.

El momento en el que se inicia la cristalización en la curva C determina el estado del producto.

Dos direcciones: reducir la velocidad crítica de enfriamiento y desarrollar tecnología de enfriamiento rápido.

Características estructurales amorfas:

(1) El estado amorfo es un estado metaestable, que se forma bajo ciertas condiciones, por lo que se convertirá en cristal bajo ciertas condiciones. La velocidad de nucleación es. alto durante la conversión al estado cristalino, por lo que se pueden obtener cristales muy finos y se pueden formar algunas estructuras excesivas en muchas condiciones.

(2) No hay dislocaciones, límites de fase ni límites de grano en las aleaciones amorfas, y no hay una segunda fase. Se puede decir que es un sólido sin defectos cristalinos.

(3) En principio, se puede obtener una fase de aleación uniforme de cualquier composición, ampliando así en gran medida el alcance de los materiales de aleación y obteniendo propiedades superiores que no pueden obtenerse con aleaciones cristalinas.

Rendimiento de las aleaciones amorfas:

(1) Propiedades físicas especiales: el excelente magnetismo es la característica sobresaliente de muchas aleaciones amorfas. Las aleaciones con propiedades magnéticas suaves son fáciles de magnetizar y el rendimiento de algunas aleaciones amorfas de imanes permanentes ha mejorado enormemente después de una cristalización parcial. Las aleaciones amorfas también tienen una resistividad más alta, una densidad entre un 1 y un 2% menor que las aleaciones cristalinas, un coeficiente de difusión de los átomos un orden de magnitud mayor y un coeficiente de expansión térmica aproximadamente la mitad que el de los cristales.

(2) Excelente resistencia a la corrosión: debido a que su estructura es más uniforme, las microbaterías no se forman fácilmente durante la corrosión, por lo que tiene una mayor resistencia a la corrosión. Por ejemplo, en una solución de FeCl3_3, el acero está completamente libre de corrosión, mientras que la aleación amorfa de hierro y cromo está básicamente libre de corrosión. En ácido sulfúrico, la velocidad de corrosión del hierro-cromo amorfo es una milésima parte de la del acero inoxidable. La función principal del cromo es formar una película de pasivación rica en cromo.

(3) Excelentes propiedades mecánicas: los enlaces entre átomos en aleaciones amorfas son más fuertes que los de los cristales ordinarios y no hay defectos cristalinos como dislocaciones, por lo que tienen una resistencia extremadamente alta. Por ejemplo, la resistencia a la fractura del acero superresistente 4340 es de 1,6 GPa, mientras que la resistencia a la fractura de la aleación amorfa Fe80B20 es de 3,63 GPa y la resistencia a la fractura del Fe 60 Cr 6 Mo 6 Ba 28 es de 4,5 GPa además de la alta resistencia. , las aleaciones amorfas también tienen buena tenacidad y ductilidad, alta dureza y buena resistencia al desgaste.

Aplicaciones amorfas

El núcleo del transformador de nueva generación no solo es fácil de magnetizar, sino que también tiene una alta resistencia, lo que puede reducir en gran medida las corrientes parásitas. La pérdida magnética de los materiales magnéticos blandos a base de hierro, como Fe81B13.5Si3.5C2 y Fe82B10Si8, es de 1/3 a 1/5 de la de las láminas de acero al silicio ordinarias, y el consumo de energía es alto.

Debido a la dificultad para hacer amorfo el granel, su aplicación también es limitada, pero puede utilizarse como refuerzo para materiales compuestos. Las aleaciones amorfas a base de cobre con alta resistencia a la corrosión del agua de mar se pueden utilizar como materiales para la fabricación de submarinos, y algunas aleaciones amorfas a base de hierro se pueden utilizar como filtros químicos en reactores de neutrones rápidos.

El metal de alta pureza es un producto integral de una variedad de tecnologías modernas de alta tecnología. Aunque el nombre "sustancias de alta pureza" apareció en la década de 1930, la investigación y producción de metales de alta pureza no se incluyó en la agenda importante hasta después de la Segunda Guerra Mundial. En primer lugar, la investigación sobre energía atómica requiere una variedad de metales de alta pureza. Luego, con el desarrollo de la tecnología de semiconductores, aeroespacial, radioelectrónica, etc., los requisitos de pureza del metal son cada vez mayores, lo que ha promovido en gran medida el desarrollo de la producción de metales de alta pureza.

La pureza tiene tres significados para los metales. En primer lugar, determinadas propiedades de los metales están estrechamente relacionadas con su pureza. El hierro puro es blando, mientras que el hierro fundido que contiene impurezas es duro. Las impurezas, por el contrario, son muy dañinas. La mayoría de los metales son quebradizos debido a las impurezas. En el caso de los semiconductores, cantidades muy pequeñas de impurezas pueden provocar cambios muy significativos en las propiedades del material.

El germanio y la sílice contienen trazas de elementos M, V, metales pesados, metales alcalinos y otras impurezas nocivas, que afectarán gravemente las propiedades eléctricas de los dispositivos semiconductores. En segundo lugar, la investigación de la pureza ayuda a aclarar factores como la sensibilidad estructural de los materiales metálicos y el impacto de las impurezas en los defectos, creando así las condiciones para el desarrollo de nuevos diseños de materiales con propiedades de material predeterminadas. En tercer lugar, a medida que la pureza de los metales siga mejorando, se revelarán aún más sus propiedades potenciales. Por ejemplo, se considera que los metales ordinarios son los más frágiles de todos los metales. Sin embargo, con una pureza elevada, se producirá plasticidad a baja temperatura en la colcha, y con una pureza ultraalta, se producirá superplasticidad a alta temperatura. El descubrimiento de las propiedades potenciales de los metales de pureza ultraalta puede abrir nuevas áreas de aplicación, crear nuevos avances en la ciencia de los materiales y allanar el camino para la promoción de la alta tecnología.

La pureza del metal es relativa a las impurezas, que en términos generales incluyen impurezas químicas (elementos) e impurezas físicas (defectos del cristal). Sin embargo, el concepto de impurezas físicas sólo tiene sentido cuando la pureza del metal es extremadamente alta. Por lo tanto, el contenido de impurezas químicas todavía se utiliza como estándar para evaluar la pureza del metal en la producción, es decir, expresado como porcentaje del principal. metal menos el contenido total de impurezas, generalmente expresado como n (la primera letra de nueve) para representar. Por ejemplo, 99,9999% se escribe como 6n y 99,99999% se escribe como 7N. Además, la pureza de los materiales semiconductores también se expresa en la concentración de portadores y en la movilidad a baja temperatura. La pureza del metal se expresa mediante la resistividad residual RRR y el grado de pureza r. No existe un estándar unificado para la definición de pureza a nivel internacional. En términos generales, un metal teóricamente puro debe ser puro, completamente libre de impurezas y tener un punto de fusión y una estructura cristalina constantes. Pero técnicamente hablando, es imposible que un metal alcance una pureza absoluta sin impurezas, por lo que el metal puro tiene sólo un significado relativo, que sólo ilustra los estándares que se pueden alcanzar técnicamente en la actualidad. A medida que aumenta el nivel de purificación, también aumenta la pureza del metal. Por ejemplo, en el pasado, las impurezas de los metales de alta pureza eran de 10-6 (una parte por millón), mientras que las impurezas de los materiales semiconductores ultrapuros alcanzaban 10-9 (una parte por mil millones) y gradualmente se desarrollaron hasta 10. -12 (una parte por billón). Al mismo tiempo, cada metal tiene diferentes niveles de dificultad de purificación. Por ejemplo, en materiales semiconductores, 9N o superior se denomina alta pureza, mientras que el tungsteno metálico refractario, como 6N, es de pureza ultraalta.

La preparación de metales de alta pureza se suele realizar en dos pasos, a saber, la purificación (purificación preliminar) y la ultrapurificación (purificación final). Los métodos de producción se pueden dividir a grandes rasgos en dos categorías: purificación química y denominación física. Para obtener metales de alta pureza y eliminar eficazmente las impurezas que son difíciles de separar, a menudo es necesario combinar la purificación química con la purificación física, es decir, la purificación química también se realiza al mismo tiempo que la purificación física. Por ejemplo, el hidrógeno se puede utilizar como gas protector cuando se funde silicio en una zona sin crisol. Si se agrega una pequeña cantidad de vapor de agua al hidrógeno, el agua reaccionará con el boro del silicio y se podrá eliminar el boro que no se puede eliminar mediante purificación física. Otro ejemplo es cuando se utiliza la sinterización al vacío para purificar metales con un punto de fusión alto, como el tantalio y el niobio. Para descarburar, a veces es necesario preparar una cantidad ligeramente excesiva de oxígeno o una cierta cantidad de carbono para la desoxidación. Este método también se llama purificación química y física.

1. Purificación química

La purificación química es la base para la preparación de metales de alta pureza. Las impurezas de los metales se eliminan principalmente químicamente. Además de obtener directamente metales de alta pureza mediante métodos químicos, los metales purificados a menudo se convierten en compuestos intermedios (óxidos, haluros, etc.) mediante destilación, rectificación, adsorción, complejación, cristalización, desproporción, oxidación y reducción, etc. purificarlo a alta pureza. , y luego reducido a metales como germanio, silicio, tetracloruro de germanio, trihidróxido de silicio y silano (Si). Existen muchos métodos de purificación química y los más comunes se enumeran en la Tabla 1.

Tabla 1: Métodos comunes de purificación química

En segundo lugar, purificación física

La purificación física utiliza principalmente evaporación, solidificación, cristalización, difusión, electromigración y otros procesos físicos. El proceso elimina las impurezas. Los métodos de purificación física incluyen principalmente destilación al vacío, desgasificación al vacío, fusión por zonas, método monocristalino (consulte el capítulo sobre materiales semiconductores), purificación por campo electromagnético, etc. Además, existe en el espacio un método de fusión y purificación sin gravedad.

Las condiciones de vacío son muy importantes en la purificación física. El refinado y la purificación de metales de alta pureza generalmente se realizan en alto vacío y ultra alto vacío (10-6-10-8Pa).

Las funciones importantes del vacío en el proceso metalúrgico son: ① Crear termodinámica química y condiciones cinéticas favorables para la reacción metalúrgica con productos gaseosos, de modo que el proceso metalúrgico que es difícil de separar impurezas del metal principal bajo presión normal pueda realizarse bajo vacío. condiciones (2) Reducir la solubilidad de las impurezas del gas y las impurezas volátiles en los metales y, en consecuencia, reducir su contenido en los metales principales; (3) Reducir la temperatura requerida para la volatilización de los metales o las impurezas y aumentar el coeficiente de separación entre los metales y las impurezas; (4) Reducir o evitar la interacción entre el metal u otros reactivos y el aire, y evitar la influencia de las impurezas de la fase gaseosa sobre metales o aleaciones. contaminar. Por lo tanto, muchos métodos de purificación, como la fusión al vacío (fusión por inducción al vacío, fusión por arco al vacío, fusión por haz de electrones al vacío), destilación al vacío, desgasificación al vacío, etc., deben realizarse en condiciones de vacío.

1 Destilación al vacío

La destilación al vacío utiliza la diferencia en la presión de vapor y la tasa de evaporación del metal principal y las impurezas a la misma temperatura para controlar la temperatura adecuada en condiciones de vacío para garantizar A Método de volatilización selectiva y condensación selectiva de sustancias para purificar metales. Este método se utiliza principalmente para purificar algunos metales (o compuestos) de bajo punto de ebullición, como zinc, calcio, magnesio, galio, silicio, litio, selenio y telurio. Con el desarrollo de la tecnología de vacío y ultra alto vacío, especialmente la metalurgia de alta temperatura, los principales procesos de destilación son la evaporación y la condensación. A una determinada temperatura, todas las sustancias tienen una determinada presión de vapor saturado. Cuando la presión parcial de una sustancia a presión atmosférica es menor que su capacidad de evaporación de saturación a esa temperatura, la sustancia continuará evaporándose. Las condiciones para la evaporación son proporcionar calor continuamente a la sustancia evaporada y descargar el gas generado; la condensación es el proceso inverso de la evaporación, y la presión de vapor saturado de la sustancia gaseosa disminuye a medida que disminuye la temperatura. Cuando la presión parcial de un componente gaseoso es mayor que su presión de vapor saturado a la temperatura de condensación, esta sustancia se condensa en una fase líquida (o fase sólida). Para llevar a cabo el proceso de condensación hasta el final, el calor liberado por la condensación debe descargarse a tiempo. Los principales factores que afectan el efecto de purificación de la destilación al vacío son: ① Cuanto mayor sea la diferencia entre la presión parcial del vapor y la presión parcial de cada componente, mejor será el efecto de separación (2) La temperatura y las condiciones dinámicas de evaporación y; condensación. En términos generales, la reducción de la temperatura puede aumentar la brecha de presión de vapor entre el metal y las impurezas y mejorar el efecto de separación; ③ Cuanto menor sea el contenido de impurezas en el metal original, mejor será el efecto de separación; las sustancias evaporadas y condensadas requieren que las sustancias de evaporación y condensación sean La presión de vapor saturado es la más baja ⑤ La interacción de los gases residuales metálicos ⑥ La estructura del dispositivo de destilación ⑦ Hay dos tipos de destilación al vacío: tipo de olla creciente y olla elevadora; tipo. En general, en la destilación en recipiente no creciente, la masa fundida de metal queda suspendida por el campo electromagnético (ver Figura 1). Para el proceso de destilación, consulte el proceso de refinación de los elementos anteriores.

Figura 1: Dispositivo de destilación sin crisol

1—mecanismo de alimentación; 2—metal a purificar; 3—deflector; 4—cátodo;

6-Escudo térmico; 7-Colector de metal; 8-Vacío; 9-Dispositivo de bomba de vacío

2. Desgasificación al vacío

La desgasificación al vacío se refiere al proceso de eliminación de gases. impurezas de los metales en determinadas condiciones. De hecho, reduce la solubilidad de las impurezas gaseosas en el metal. Según la ley de Sieuwerts, la solubilidad de los gases diatómicos en metales a temperatura constante es proporcional a la raíz cuadrada de la presión parcial del gas. Por lo tanto, aumentar el grado de vacío del sistema equivale a reducir la presión parcial del gas, es decir, reducir la solubilidad del gas en el metal. Algunas impurezas del gas que exceden la solubilidad escaparán del metal y serán eliminadas. Tomemos como ejemplo el tratamiento térmico al vacío del polvo. En condiciones de alto vacío (2,5-6 μPa), la humedad del polvo se evapora rápidamente a 100-200 °C y el hidruro se descompone y escapa a 600-700 °C. Los metales alcalinos y sus compuestos se volatilizan a 1100-1600°C, y la mayor parte del hierro se volatiliza. A 2300°C, el nitrógeno se volatiliza y se escapa. El hidrógeno y el oxígeno, que tienen mayor afinidad por los metales, se eliminan añadiendo desoxigenación de carbono ("C" + "O" = CO ↑) y la impureza de óxido subvalente metálico MeON mencionada anteriormente. La desgasificación al vacío se usa ampliamente para purificar metales de alto punto de fusión como tungsteno, molibdeno, vanadio, niobio, tantalio y renio.

3. Fusión por zonas

La fusión por zonas es un método de purificación profunda de metales. Su esencia es calentar localmente un lingote largo y estrecho para formar una zona de fusión estrecha. Al mover el calentamiento, la zona de fusión estrecha se mueve lentamente a lo largo del lingote en una dirección determinada. Utilizando la misma diferencia de concentración de equilibrio entre sólidos y líquidos, las impurezas se separan en sólidos o líquidos y luego se eliminan o redistribuyen durante repetidos procesos de fusión y solidificación. La zona de fusión se calienta normalmente mediante calentamiento resistivo, por inducción o por haz de electrones. La siguiente imagen muestra la fusión del germanio.

Figura 2: Diagrama esquemático de la fundición y purificación regional de germanio.

La fusión por zonas se utiliza ampliamente para la purificación de metales brillantes de alto punto de fusión, como tungsteno, molibdeno, tantalio y niobio, en materiales semiconductores. También se utiliza para la purificación de metales de alta pureza, como. aluminio, galio, antimonio, cobre, hierro y plata. Para el germanio que contiene aproximadamente 1 x 10-3 % de impurezas, después de 6 veces de purificación regional, la concentración de impurezas del germanio de alta pureza se puede reducir a 1 x 10-8 %. Después de la fundición de cinco zonas, el monocristal de tungsteno se puede aumentar de 40 a 2000.

4. Purificación por electromigración

La electromigración se refiere a la separación de metales e impurezas provocada por la diferencia en la velocidad de migración o difusión en una determinada dirección bajo la acción de un campo eléctrico. Es un método de purificación profunda de metales recientemente desarrollado, que se caracteriza por un buen efecto de separación de impurezas intersticiales (especialmente oxígeno, nitrógeno, carbono, etc.). ), pero actualmente sólo se utiliza para la purificación de pequeñas cantidades de metales. Combinado con otros métodos de purificación, se pueden obtener metales de pureza ultraalta.

Cuando se energiza la muestra en forma de varilla, el metal original y los iones de impureza se moverán en una dirección determinada, y la velocidad de deriva de los iones es: V = UF.

Donde v es la velocidad de deriva de los iones; u es la movilidad de los iones; f es la fuerza externa que actúa sobre los iones, que es el efecto del campo eléctrico. y las fuerzas que actúan sobre los iones mediante la dispersión de electrones conductores. Estas fuerzas están relacionadas con el número de carga efectiva de los iones. Según las diferentes cargas de los iones originales y de los iones de impureza, las velocidades de difusión y deriva son diferentes para lograr el propósito de la separación.

5. Purificación por campos electromagnéticos

Cada vez se utiliza más la tecnología de purificación profunda de metales de alto punto de fusión bajo la acción de campos electromagnéticos. El campo electromagnético no se limita a agitar el metal fundido, sino que, lo que es más importante, puede permitir que el metal fundido obtenga defectos estructurales distribuidos uniformemente y refine la estructura del grano durante el proceso de cristalización. Cuando un material semiconductor se convierte en un monocristal, se producen fluctuaciones de temperatura en la masa fundida durante el proceso de cristalización direccional, lo que conducirá a una distribución estratificada de impurezas. Un pequeño campo magnético constante es suficiente para eliminar tales fluctuaciones de temperatura. Durante el proceso de cristalización de un sistema multifásico, la segunda fase puede precipitarse direccionalmente mediante un campo electromagnético para generar una estructura anisotrópica similar a un material compuesto magnético. El campo electromagnético también se utiliza en la fundición en suspensión. En este momento, el campo electromagnético desempeña el papel de soporte energético y agitación, y la segunda fase (óxido, carburo, etc.) se purifica mediante la evaporación de las impurezas. Dado que no existe ningún problema de contaminación causado por el contacto con el recipiente, se usa ampliamente para purificar casi todos los metales de alto punto de fusión, como tungsteno, molibdeno, tantalio, niobio, vanadio, renio, osmio, rutenio, circonio, etc.

6. Aplicación integral de métodos de purificación

Cada método de purificación utiliza ciertas propiedades físicas o químicas de los metales y elementos impuros para lograr el propósito de la purificación. Por ejemplo, la destilación al vacío aprovecha la diferencia entre la presión de vapor saturado y la tasa de volatilización de metales e impurezas. La fusión por zonas utiliza la diferencia de solubilidad entre la fase sólida y la fase líquida para purificar y separar impurezas, por lo que cada método tiene ciertas ventajas (buen efecto de separación para algunas impurezas) y desventajas (pobre efecto de separación para otras impurezas). Incluso con el mismo método de purificación, los efectos de la purificación varían mucho debido a las diferentes propiedades de los metales. Por ejemplo, la fundición por zonas tiene un buen efecto de purificación en metales de alto punto de fusión, pero el efecto de purificación en algunos metales de tierras raras no es ideal. Para lograr el efecto de la purificación profunda de metales, generalmente es necesario aplicar de manera integral una variedad de métodos de purificación. En este sentido, es muy importante utilizar todos los métodos en una combinación y orden razonables. La fusión o destilación por haz de electrones generalmente se combina con la fusión por zona o la electromigración, es decir, primero se realiza la fusión por haz de electrones o la purificación por destilación, y luego se utiliza la fusión por zona o la purificación por electromigración como método de purificación final. Tomando Quilts como ejemplo, para obtener berilio de pureza ultra alta, es mejor someterse a múltiples purificaciones por destilación, luego fundición al vacío y finalmente fundición por zonas o purificación por electromigración. Después de dicha purificación, la pureza del monocristal de berilio puede alcanzar el 99,999%. Al preparar germanio ultrapuro, generalmente se utilizan métodos químicos para eliminar fósforo, arsénico, aluminio, silicio, boro y otras impurezas, y luego se utiliza el método de fusión por zonas para purificar y obtener germanio puro de grado electrónico. Finalmente, se puede cumplir el requisito de pureza de 13N. Solo se puede lograr mediante múltiples tirones de cristal. Se puede lograr cortando. La siguiente tabla muestra el efecto de combinar varios métodos para purificar renio.

Tabla 2: Efectos de diferentes métodos de purificación sobre la purificación de renio.

7. Purificación de metales en condiciones espaciales.

El desarrollo del espacio ha creado nuevas oportunidades para purificar el polvo de oro. El vacío ultraalto (alrededor de 10-10pa), la temperatura ultrabaja y la gravedad básicamente cero en el espacio proporcionan excelentes condiciones para la purificación de metales. En tales condiciones, no habrá corrientes de convección en el metal líquido y la distribución de impurezas durante la cristalización tendrá sólo propiedades puramente difusas. No se necesita un crisol para fundir el metal y el vacío ultraalto favorece especialmente la volatilización y desgasificación de las impurezas. Estas son las condiciones ideales para la purificación de metales químicamente activos y materiales semiconductores mediante fusión, evaporación y fusión zonal.

Tomando como ejemplo la purificación del germanio, cuando el germanio se funde verticalmente en la tierra, el coeficiente de separación de los cultivos de impurezas es 0,1/0,15, y cuando está en el espacio, es 0,23/0,17. La integridad de los cristales extraídos en condiciones sin gravedad es mucho mejor que en condiciones de gravedad. Tomando como ejemplo el antimonuro de indio, su relación de densidad de dislocación es solo 1/6 de la que existe bajo gravedad. Debido a que el coeficiente de tensión superficial del metal líquido en el universo es muy grande, es seguro utilizar el método de fusión en zona libre de crisol para preparar monocristales con alta pureza y alta integridad en el universo. Además, las temperaturas "cósmicas" ultrabajas también tienen buenas perspectivas de aplicación.

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