Ликвационные и кристаллизационные методы рафинирования

Полная аморфизация достигается при такой скорости охлаждения, при которой в объеме жидкости не образуется ни одного зародыша критического размера. Т.е. этот критерий учитывает ограниченность роста зародышей.

Основную массу аморфных сплавов выпускают сейчас в виде тонких лент (шириной до 100-150 мм и толщиной 20-40 мкм). Аморфную ленту используют для изготовления высокоэффективных магнитных экранов, трансформаторов, бритвенных лезвий и др.

Методы получения аморфных материалов условно можно разделить на три группы:

1. Охлаждение со сверхвысокими скоростями (10⁵-10⁷ град/с) расплавленного металла (закалка из жидкого состояния – сверхбыстрое закаливание).

2. Охлаждение металлов из газовой (паровой) фазы на охлаждаемую подложку (термическое испарение, ионное испарение, плазменное напыление и т.д.).

3. Разрушение кристаллической структуры твердого тела за счет внешних воздействий (ионная имплантация).

Ликвация и кристаллизация используются в качестве приемов очистки металлов от примесей (рафинирования). Это обусловлено тем, что в процессе ликвации и кристаллизации происходит перераспределение примесей (растворимых и нерастворимых), присутствующих в металле.

Сущность ликвационных методов

Под ликвацией понимается нарушение однородности расплава, протекающее в жидком или затвердевающем металле.

Ликвационный метод предусматривает охлаждение гомогенного рафинируемого расплава до определенной температуры и длительную выдержку при ней, при этом происходит выделение одной или нескольких фаз в жидком или твердом виде, одна из которых оказывается обогащенной примесью. Выделенные фазы вследствие различия плотностей с течением времени отделяются друг от друга. Т.е. движущей силой ликвации в расплаве является гравитационное поле.

Возможность осуществления того или иного ликвационного процесса следует из особенностей строения диаграмм состояния: «рафинируемый металл-примесь». Исходя из диаграмм состояния, можно выявить температурные условия, обеспечивающие достаточную полноту удаления примеси, а также количественные соотношения фаз, которые получаются в процессе ликвационного рафинирования.

Сущность кристаллизационных методов очистки металлов и полупроводниковых материалов

Кристаллизационные методы для очистки металлов и полупроводников применяются на конечной стадии рафинирования с целью удаления из расплава очень малых концентраций примесей.

К кристаллизационным методам относятся:

1. Нормальная направленная кристаллизация

В основе очистки металлов методами направленной кристаллизации лежит разность составов равновесных жидкой и твердой фаз. Количественной термодинамической характеристикой распределения примеси между твердой и жидкой фазами является равновесный коэффициент распределения К.

Для бинарных систем (А - основной компонент, В - примесь) равновесный коэффициент распределения равен отношению концентраций примеси в равновесной твердой и жидкой фазах:

где В – примесь.

В зависимости от вида диаграммы состояния примеси с основным компонентом равновесный коэффициент К может быть больше или меньше единицы (рис. 6.3).

Если примесь понижает температуру плавления основного компонента, то К < 1 (рис. 6.3, а). В процессе кристаллизации металла примеси с К < 1 преимущественно концентрируются в жидкой фазе, обогащая ее примесями.

При К > 1 (рис. 6.3, б) примесью обогащается твердая фаза.

Чем больше К отличается от 1, тем эффективнее можно осуществить очистку металла методами направленной кристаллизации.

При К = 1 очистка металла методами направленной кристаллизации невозможна.