Получение сверхчистых редких металлов
Тихинский Г.Ф., Ковтун Г.П., Ажажа В.М.
Металлургия, 1986 г.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы достигнуты большие успехи в области создания и практического использования качественно новых материалов с особыми физическими свойствами и высокими эксплуатационными характеристиками. Эти успехи во многом определяются развитием физического металловедения и металлургии чистых металлов. Атомная энергетика и радиоэлектроника, полупроводниковая и космическая техника, электротехника — вот далеко не полный перечень областей техники, развитие которых неразрывно связано с использованием чистых и сверхчистых металлов как в чистом виде, так и в качестве основы сплавов с необходимыми свойствами. Не случайно исследованиям и производству сверхчистых материалов в нашей стране уделяется большое внимание.
потребность в сверхчистых веществах, в том числе и в сверхчистых металлах, определяется также необходимостью установления их истинных свойств.
По мере повышения чистоты веществ не только изменяются известные их свойства, но и выявляются новые, ранее "завуалированные" примесями. В частности, достижения техники очистки привели практически ко второму рождению таких редких металлов, как вольфрам, молибден, ванадий, цирконий, бериллий и др. Одно из новых качеств некоторых чистых металлов с о.ц.к. и г.п. решетками — их высокая пластичность, обеспечивающая формовку различных изделий. Даже бериллий — представитель наиболее хрупких металлов, в высокочистом мелкозернистом состоянии обладает сравнительно высокой пластичностью при низких и сверхпластичностью при повышенных температурах. Другим примером, относящимся к этому же металлу, является достижение по мере его очистки от примесей высоких значений электропроводности при температуре жидкого азота (77 К), что позволяет отнести бериллий к разряду перспективных криопроводников.
Сверхчистые металлы являются крайне необходимым объектом исследований природы влияния собственных, примесных и других дефектов на структурно-чувствительные свойства, что имеет большое значение для разработки количественной теории создания металлических материалов с заданными свойствами.
По классификации Г.Г.Девятых [1, 2], существующие в настоящее время методы глубокой очистки веществ по природе эффекта, лежащего в основе каждого метода, можно разделить на две группы: химические и физико-химические методы. Химические методы разделения смесей веществ основаны на различии в константах равновесия или константах скоростей реакций с участием основного вещества и примесей. В физико-химических методах разделение основано на различии физико-химических свойств основы и примеси. К ним относят, например, кристаллизационные и дистилля ционные методы, методы термодиффузии и ионного обмена, электрохимические.
Так как в основе методов рафинирования, рассмотренных в дан ной книге (плавка и дистилляция в вакууме, зонная перекристаллизация, электроперенос, отжиг в сверхвысоком вакууме), лежа1 преимущественно физические процессы (испарение и конденсация пара, кристаллизация, диффузия, электромиграция примесных ионов и др.), авторы считают возможным отнести их к физическим методам рафинирования. В технологии получения чистых и сверхчистых металлов физические методы используются преимущественно на заключительных стадиях рафинирования, особенно в тех случаях, когда ставится задача получения сверхчистых металлов с совершенной кристаллической структурой.
Единой международной классификации веществ по степени их чистоты в настоящее время не существует, и смысл понятий "чистые", "особо чистые", "сверхчистые" вещества постоянно меняется по мере повышения их чистоты и совершенствования методов контроля. Принятая в нашей стране классификация не отражает полностью истинное содержание основного компонента и учитывает лишь сумму определенного числа примесей. По мнению Г.Г.Девятых [1],к разряду особо чистых веществ могут быть отнесены такие вещества, у которых суммарное содержание всех примесей не превышает 10~3 — 10~4%*, а содержание основных (лимитируемых) примесей находится на уровне 10~б — 10"7%и ниже.
Ч.В.Копецкий [3] предлагает учитывать особенности структурно-чувствительных свойств вещества при оценке его чистоты. Вещество является чистым в том случае, когда его данное свойство (или группа свойств) определяется атомно-кристаллической структурой и собственными дефектами, а роль примесных дефектов несущественна. Следует, однако, отметить, что при всей привлекательности такой подход делает понятие "чистое вещество" относительным и ставит его в зависимость от рассматриваемых свойств.
Успехи в области рафинирования металлов тесно связаны с проблемой оценки степени чистоты. Методы количественного определения примесей в высокочистых металлах должны обладать высокой чувствительностью (< 10-7 – 10-8%), универсальностью по отношению к роду примесей, экспрессностью и достаточной экономичностью. Поскольку ни один из известных в настоящее время методов анализа не удовлетворяет всем указанным требованиям, на практике обычно применяется несколько методов, дополняющих друг друга.