區域熔煉（zone melting technique） 由Keek 和Golay 於1953年創立的。該方法在整個生長過程中的任何時刻都只有一部分原料被熔融，熔區由表面張力支撐，故又稱“浮區法”。所用原料一般先製成燒結棒。將燒結棒用兩個卡盤固定並垂直安放在保溫管內。利用高頻線圈或聚焦紅外線加熱燒結棒的局部，使熔區從一端逐漸移至另一端以完成結晶過程。該方法不需要坩堝，生長出的晶體質量高，常用於材料的物理提純，也用於生長晶體。可生產剛玉、YAG及白鎢礦等寶石材料。生長的晶體可含有氣泡和未熔粉末。
基本介紹
- 中文名：區域熔煉
- 外文名：zone melting
- 別稱：區域提純
- 用途：提純金屬、半導體
- 分類：水平區熔提純、懸浮區熔提純
- 優點：產品純度高，操作可以自動化
簡介,區域熔煉原理,方法分類,影響因素,
簡介
金屬中大都含有各種雜質，當這種含有雜質的熔體金屬降溫凝固時，凝固晶體中的雜質分布量和它的熔融體中的雜質分布量是不相同的，區域熔煉就是利用這個原理來提純金屬。如果沿一根金屬棒安裝一個可以移動的加熱器，讓加熱器從棒的一端開始加熱熔化，加熱器向前移動，熔區也就隨著前移，而離開加熱器的熔區則又逐漸凝固，這樣一直進行到棒的另一端，叫做一次通過。若進行很多次通過，就可以使金屬中的雜質集中到金屬棒的一端，切去富集雜質的一端，即得到高純金屬。這種提純金屬的方法就叫做區域熔煉。
簡言之，區域熔煉就是通過金屬試料的局部熔化，使金屬試料與其中含的微量雜質達到分離的過程。區域熔煉主要用來製取高純度的金屬，它首先是用來提純電晶體所用的鰭，現在已廣泛地套用於各種金屬和其他化合物的提純。
區域熔煉原理
利用雜質在材料的固體和液體狀態中溶解度的差別，製備高純度金屬的一種方法。主要用於半導體、核燃料等工業所需要的高純度金屬。
其原理是：當金屬中含有雜質B，設其濃度為c0。將金屬加熱熔化，然後冷卻，當固溶體析出時，其中雜質B的濃度為c1，則通常c1<c0，即析出固溶體中雜質B的含量較原金屬中少。若把第一次析出的固溶體再一次熔化和冷卻，則第二次析出的固溶體中雜質B的含量將比第一次析出時更少。如此重複多次，即可得到高純度的金屬。實際操作是將金屬做成棒狀，放在管式爐中，管外繞以可移動的加熱環。（一般套用高頻加熱）開始把加熱環放在管予的一端（如左端），並加熱使這一區域的金屬熔化，然後使加熱環緩慢地向右移動，則左端析出的固溶體中雜質B含量較少，在移動過程中不斷將雜質趕往右端。這樣重複多次，左端可得到高純度的金屬。這種方法可使金屬中雜質的含量減少到億分之一或億萬分之一。
區域熔煉示意圖方法分類
區域熔煉提純分為兩種。
（1）水平區熔提純
金屬錠料水平放置在一個長槽容器中，熔區水平通過錠料。
（2）懸浮區熔提純
金屬錠垂直放置，不用容器盛裝，錠料兩端固定，錠料加熱時依靠金屬表面張力保持一個狹窄的熔區，金屬以液態懸浮於金屬棒中間，熔區沿錠長自下而上移動通過錠料，使金屬得到提純。熔區的獲得可採用感應加熱或電子束轟擊加熱。採用電子束加熱，稱為電子束懸浮區熔方法。
影響因素
用電子束懸浮區熔方法提純稀土金屬時，稀土金屬作為固定陽極，陰極沿金屬棒一定速度由下至上移動。這一提純過程主要受如下因素影響。
（1）熔區溫度
熔區溫度不宜過低，以免產生熔化不完全，影響雜質的擴散速度；但也不可過高，否則將使熔區中部變細，導致線圈對細處耦合不好，未熔金屬粒落於下界面，成為新的晶核。操作過程中應保持溫度平穩，不然可能會使結晶界面產生多晶。
（2）熔區提純次數
在區熔速度不變的情況下，通常，提純次數增加，金屬的純度提高，當雜質達到極限分布時，再增加次數則沒有意義，而且有些雜質反而會有增多的趨勢，因此必須根據具體情況而定。
（3）熔區寬度
在懸浮區熔時，熔區寬度變化有限，對工藝過程影響不大，一般，熔區的寬度為棒直徑的1/2～1/3為宜。
（4）熔區的移動速度
降低熔區的移動速度，有利於雜質的擴散，金屬純度的提高；但移動速度過慢，會導致金屬蒸發損失增加。
（5）真空度
保持較高的真空度有利於氣體雜質的排出，但過高的真空度也會引起金屬的揮發損失增加。
由上述分析可知，用區域熔煉方法提純稀土金屬時，應根據稀土金屬本身的性質和設備特點以及操作環境具體的確定適用的工藝條件。
應該說明的是，區域熔煉長期沒能套用於提純稀土金屬，原因是稀土金屬性質活潑，在水平區熔提純時缺少合適的容器盛裝金屬錠料。另外，稀土金屬易於吸收氣體，加之操作氣氛不適宜，造成金屬易被污染，一些間隙金屬雜質也不能完全除去，提純效果不佳。近看來，在水平區熔提純中採用水冷銅容器及懸浮區熔提純，並且套用超高真空技術，為區熔提純套用於稀土金屬創造了有利條件。區域熔煉在製備超純金屬中是非常引人注目的提純技術，經處理金屬類雜質含量往往下降數百倍，但間隙類雜質僅下降2～3倍，這時可採用電遷移技術彌補不足。
