定义

简介

区域熔炼的方法

影响悬浮区熔的因素

定义

区域熔炼（zone melting technique） 由Keek 和Golay 于1953年创立的。该方法在整个生长过程中的任何时刻都只有一部分原料被熔融，熔区由表面张力支撑，故又称“浮区法”。所用原料一般先制成烧结棒。将烧结棒用两个卡盘固定并垂直安放在保温管内。利用高频线圈或聚焦红外线加热烧结棒的局部，使熔区从一端逐渐移至另一端以完成结晶过程。该方法不需要坩埚，生长出的晶体质量高，常用于材料的物理提纯，也用于生长晶体。可生产刚玉、YAG及白钨矿等宝石材料。生长的晶体可含有气泡和未熔粉末。

简介

区域熔炼法,又称区域提纯。是用以提纯金属、半导体、有机化合物的方法。

将材料制成细棒，用高频感应加热，使一小段固体熔融成液态。熔融区慢慢从放置材料的一端向另一端移动。在熔融区的末端，固体重结晶，而含杂质部分因比纯质的熔点略低，较难凝固，便富集于前端。

此法可是纯度达99.999%的材料，且一次达不到要求，可以重复操作。此法设备与操作简单，且可自动化。

区域熔炼的典型方法是将被提纯的材料制成长度为0.5～3m（或更长些）的细棒，通过高频感应加热,使一小段固体熔融成液态，熔融区液相温度仅比固体材料的熔点高几度，稍加冷却就会析出固相。熔融区沿轴向缓慢移动（每小时几至十几厘米）。杂质的存在一般会降低纯物质的熔点，所以熔融区内含有杂质的部分较难凝固，而纯度较高的部分较易凝固，因而析出固相的纯度高于液相。随着熔融区向前移动，杂质也随着移动，最后富集于棒的一端，予以切除。一次区域熔炼往往不能满足所要求的纯度，通常须经多次重复操作，或在一次操作中沿细棒的长度依次形成几个熔融区。

区域熔炼设备简单，产品纯度高，操作可以自动化，但生产效率低。目前，已经用于制备铝、镓、锑、铜、铁、银等高纯金属材料。

区域熔炼的方法

区域熔炼提纯分为两种。

（1）水平区熔提纯 金属锭料水平放置在一个长槽容器中，熔区水平通过锭料。

（2）悬浮区熔提纯 金属锭垂直放置，不用容器盛装，锭料两端固定，锭料加热时依靠金属表面张力保持一个狭窄的熔区，金属以液态悬浮于金属棒中间，熔区沿锭长自下而上移动通过锭料，使金属得到提纯。熔区的获得可采用感应加热或电子束轰击加热。采用电子束加热，称为电子束悬浮区熔方法。

影响悬浮区熔的因素

用电子束悬浮区熔方法提纯稀土金属时，稀土金属作为固定阳极，阴极沿金属棒一定速度由下至上移动。这一提纯过程主要受如下因素影响。

（1）熔区温度 熔区温度不宜过低，以免产生熔化不完全，影响杂质的扩散速度；但也不可过高，否则将使熔区中部变细，导致线圈对细处耦合不好，未熔金属粒落于下界面，成为新的晶核。操作过程中应保持温度平稳，不然可能会使结晶界面产生多晶。

（2）熔区提纯次数 在区熔速度不变的情况下，通常，提纯多数增加，金属的纯度提高，当杂质达到极限分布时，再增加次数则没有意义，而且有些杂质反而会有增多的趋势，因此必须根据具体情况而定。

在真空条件下，已确定提纯后金属中杂质的浓度c终，则可由下式估算提纯次数n。

n　=　ln　co　/　ln　（　lE　＋1　）　 [1]

c终　Kfβ

式中 co——原始金属中杂质含量；

l——熔区长度；

E——杂质的蒸发常数，杂质浓度为1时，单位面积和时间内杂质蒸发量；

f——熔区移动速度；

β——熔区体积与面积比，V/A。

（3）熔区宽度 在悬浮区熔时，熔区宽度变化有限，对工艺过程影响不大，一般，熔区的宽度为棒直径的1/2～1/3为宜。

（4）熔区的移动速度 降低熔区的移动速度，有利于杂质的扩散，金属纯度的提高；但移动速度过慢，会导致金属蒸发损失增加。

（5）真空度 保持较高的真空度有利于气体杂质的排出，但过高的真空度也会引起金属的挥发损失增加。

由上述分析可知，用区域熔炼方法提纯稀土金属时，应根据稀土金属本身的性质和设备特点以及操作环境具体的确定适用的工艺条件。

应该说明的是，区域熔炼长期没能应用于提纯稀土金属，原因是稀土金属性质活泼，在水平区熔提纯时缺少合适的容器盛装金属锭料。另外，稀土金属易于吸收气体，加之操作气氛不适宜，造成金属易被污染，一些间隙金属杂质也不能完全除去，提纯效果不佳。近看来，在水平区熔提纯中采用水冷铜容器及悬浮区熔提纯，并且应用超高真空技术，为区熔提纯应用于稀土金属创造了有利条件。Jones等人对区熔提纯稀土金属作过详细讨论。区域熔炼在制备超纯金属中是非常引人注目的提纯技术，经处理金属类杂质含量往往下降数百倍，但间隙类杂质仅下降2～3倍，这时可采用电迁移技术弥补不足。