Способ очистки галлия Советский патент 1992 года по МПК C22B58/00 

(Л

С

Использование: очистка галлия от примесей, образующих с ним эвтектики и имеющих гипоэвтектическую концентрацию, путем охлаждения жидкой массы вышеуказанного галлия. Сущность; локально охлаждают указанную массу, чтобы частично превратить ее в более чистые кристаллы, чем жидкость, в устройстве, включающем емкость, закрытую в своей верхней части крышкой и в своей нижней части перемычкой, способной перемещаться внутри указанного резервуара. Полученные кристаллы собирают в верхней части емкости со стека- нием жидкости, с помощью перемычки создают давление на собранные кристаллы, чтобы образовать кристаллическое скопление, затем удаляют жидкость из резервуара, удаляют очищенные кристаллы и переплавляют их. 3 з.п. ф-лы, 1 ил. i 5

Изобретение относится к способу очистки галлия путем частичного отверждения.

Галлий занимает все более значительное место в промышленности, где он служит для очень различных применений, таких как осуществление покрытий оптических поверхностей, термометров для измерения повышенных температур, коллекторов текущих жидкостей в электрических машинах, материалов для пайки, цементов для зубоврачебных целей и т.д. Тем не менее его основной сбыт - электроника, где он используется в качестве полупроводника в форме фосфида или арсенида.

Последнее применение требует продуктов очень высокой чистоты, выше 99,9999%.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса.

Сущность способа очистки галлия от примесей, образующихся с ним эвтектики и имеющих гипоэвтектическую концентрацию путем частичного отверждения жидкой массы галлия, заключается в том, что:

локально охлаждают вышеуказанную массу, чтобы превратить ее частично в более чистые кристаллы, чем жидкость, в устройстве, включающем емкость, закрытую в своей верхней части крышкой и в своей нижней части перемычкой, способной передвигаться внутри емкости;

отделяют прицепленные к стенкам емкости кристаллы и собирают их в верхней части резервуара, в то время как позволяют вытекать жидкости, нагруженной примесями, со стороны перемычки, противоположной стороне контакта с кристаллами;

с помощью перемычки осуществляют давление на собранные кристаллы, чтобы образовать контактный кристаллический продукт с одновременным удалением жидкости;

удаляют жидкость из резервуара;

vi

00

го ю

4 VJ

CJ

рекуперируют очищенные кристаллы и переплавляют их.

Так, более конкретно, изобретение относится к удалению примесей, способных образовывать с галлием эвтектическую смесь, причем эти примеси имеют гипоэв- тектическое содержание, т.е. ниже такового эвтектической композиции.

Очистку реализуют, помещая массу жидкого металла в емкость, затем охлаждают ее локально с помощью пригодных устройств для того, чтобы вызвать кристаллизацию, и отделяют более чистые кристаллы от остаточной маточной жидкости перед достижением полного отверждения.

Однако галлий обладает особенными свойствами; так, его температура плавления очень низкая (29,8°С), он обладает явлением значительного переохлаждения, его кристаллы очень мало ковкие при комнатной температуре; более того, в отличие от всех других металлов, за исключением висмута и кремния, он имеет более незначительный удельный вес в твердом состоянии, чем в жидком состоянии, что вызывает увеличение кристаллов на поверхности ванны, где они образуются.

Поэтому охлаждение реализуется в емкости, закрытой вверху крышкой и в нижней части подвижной перемычкой. Таким образом, кристаллы могут естественно подниматься к верхней части емкости без всех помех, что благоприятствует их отделению от маточного раствора, где они образуются. Но, предпочтительно, для облегчения их перегруппировки сообщают перемычке движение снизу вверх, которое улучшает их естественное движение.

Также предпочтительно охлаждение локализуется в зоне ограниченной высоты, расположенной снаружи и внизу боковой стенки емкости и на уровне, выше такового перемычки, когда она находится в нижнем положении, Эта зона образует обод (венец), только некоторые точки которого охлаждаются, чтобы создать островки кристаллов, а не непрерывное кольцо, которое снижает их тенденцию прикрепляться к стенке.

Тем не менее, не всегда удается полностью избежать этого явления прицепления и необходимо отделять кристаллы от стенки либо емкости, либо перемычки, что может быть реализовано любым пригодным средством, предпочтительно путём соскабливания стенки с помощью любого устройства и особенно с помощью перемычки Но можно также осуществлять мгновенный подогрев мест, где кристаллы прицеплены, чтобы вызвать поверхностное плавление и облегчить

в известных случаях эффект соскабливания перемычки или любого другого устройства. Затем отделенные кристаллы также, и те, которые плавают в жидкой массе, собирают

в верхней части емкости путем подъема перемычки. Отверстия, проделанные в толщине перемычки или достаточный зазор этой последней по отношению к стенке емкости, позволяют жидкости вытекать.

0 Затем перемычка продолжает свое поступательное движение вверх, чтобы создать достаточное давление на собранные кристаллы для введения их в контакт одних с другими и образования таким образом

5 кристаллического продукта настолько компактного, насколько возможно, и, вследствие непрерывного пропускания маточного раствора под перемычку, снижать постепенно ее загрязнение этим последним.

0 Предпочтительно, созданное давление такое, что оно в конце концов вызывает деформацию кристаллического продукта, чтобы снизить до минимума свободные пространства между кристаллами. После

5 этой операции жидкость удаляют из сосуда, перемычку опускают и кристаллическое скопление оставляют скапывать до прекращения всяческого течения.

Тогда можно удалять кристаллы, кото0 рые еще покрыты поверхностным слоем загрязненной жидкости, прилипшим и неотделяемым за счет скапывания. Этот слой может быть удален предпочтительно путем обработки с помощью растворителя,

5 такого, как соляная кислота или азотная кислота, операции, которая может быть проведена в устройстве кристаллизации путем введения растворителя через отверстие, расположенное на крышке.

0 Затем обработанное скопление кристаллов переплавляют и предпочтительно фильтруют для удаления всяких следов суспендированного твердого вещества. Очевидно, что такой способ может быть легко

5 перенесен на такой элемент, как висмут,

Изобретение иллюстрируется чертежом.

Ванна 1 содержит воду 2, доведенную до постоянной температуры и соответствен0 но удаляемую по трубопроводам 3 и 4, в которую погружено устройство, образованное цилиндрической емкостью 5, закрытой герметической крышкой б, снабженной трубопроводом 22 для сообщения с воздухом и

5 вентилем 23 и перемычкой 7, расположенной внутри емкости, с просверленными отверстиями 8 и соединенной нижней частью с поршневым штоком 9, движимым домкратом 10 и передвигающимся в контакте с уплотняющей прокладкой 11. Боковая стенка емкости снабжена патрубком расширения 12 и оснащена на своей периферии и далее кольцом из различных и регулярно распределенных зон 13, включающим камеры 14, термически изолированную от воды слоем 16 из пригодного материала и в которой циркулирует жидкость 15, которая обеспечивает теплообмены через посредство контактов 17 с жидким галлием 18, который можно направлять в емкость 5 или удалять с помощью трубопровода 19.

При функционировании вода 2 циркулирует в ванне 1, емкость 5 наполняется жидким галлием через посредство патрубка 12. вентиль 23 открывается по обстоятельствам и камеры 14 загружаются жидким холодоно- сителем. Путем отверждения галлия в контакте с охлаждающими контактами 17, образуются кристаллы 20 очищенного галлия, Затем жидкий холодоноситель заменяют на жидкий теплоноситель и вводят в функционирование домкрат 10 для перемещения перемычки вверх, перемещение, которое облегчается наличием патрубка расширения 12. Под совместным воздействием подогрева контактов 17 и эффекта соскабливания стенок с помощью перемычки, кристаллы отделяются от контактов. Так как твердый галлий имеет более незначительный удельный вес, чем жидкий галлий, отде- ленные кристаллы имеют тенденцию подниматься. Во всяком случае перемычка, продолжая свой подъем, уплотняет кристаллы против крышки 6, затем оказывает на них давление, достаточное для образования кристаллического продукта 21 настолько компактного, насколько возможног тогда как жидкий галлий вытекает вниз за счет отверстий 8, Наконец, перемычка становится в свое начальное положение. Эта серия операций повторяется вплоть до достижения в верхней части емкости 5 пригодной высоты кристаллов, В этот момент остаточный жидкий галлий удаляют по трубопроводу 19 и очищенные кристаллы галлия рекуперируют, затем расплавляют, отфильтровывают и в известных случаях повторно обрабатывают для повышения их чистоты.

Пример. Устройство, выполненное целиком из тефлона, образованное цилиндрической емкостью (1,3 л), снабженное патрубком расширения, служащим также для снабжения галлием, имеющим на своей боковой стенке 25 зон, включающих медные контакты диаметром 4 мм, покрытые защитной органической пленкой, снабженным внутри перемычкой с просверленными отверстиями, погружается в ванну с водой, поддерживаемой при 35°С, 8 кг жидкого галлия, доведенные до температуры 35°С,

защищенные от окисления пленкой соляной кислоты, вводят по патрубку в вышеуказанную емкость, причем перемычка находится в низшем положении. Воду циркулируют 5 при 15°С в течение 1 минуты в каждой из камер 25 зон, чтобы вызвать образование кристаллов очищенного галлия на каждом контакте. Затем воду с температурой 40°С вводят в течение 20 секунд в камеры, чтобы

0 облегчить отцепление кристаллов, которые затем увлекаются поршнем в своем движении вверх, затем уплотняются против крышки резервуара в форме скопления. Наконец, поршень опускается и снова начинается

5 цикл вплоть до достижения высоты кристаллов, равной 70% высоты резервуара. Поршень тогда поддерживают в верхнем положении, циркуляцию жидкости прекращают и остаточный жидкий галлий выгружа0 ют по выгружному трубопроводу.

Тогда емкость заполняют 3 н, соляной кислотой, затем в ванну направляют воду при температуре 40°С, чтобы расплавить кристаллическое скопление. Жидкий галлий

5 затем сливают, затем фильтруют. Таким образом получают 3,7 кг очищенного галлия.

Начальное и конечное содержание примесей в обрабатываемом галлии согласно изобретению дано в таблице.

0 Таким образом, остается около 0,25 ррт примесей, т.е. получают галлий с титром 99,999975%, отвечающий спецификациям электронной промышленности.

Формула изобретения

5 1. Способ очистки галлия преимущественно от примесей, образующих с ним эвтектики и имеющих гйпоэвтектическую концентрацию, включающий фракционную кристаллизацию охлаждением, отличаю0 щ и и с я тем, что, с целью повышения эффективности процесса, кристаллизацию ведут локальным охлаждением боковой стенки емкости, закрытой в верхней части крышкой, с последующим отделением и пе5 ремещением образовавшихся кристаллов в верхнюю часть емкости путем передвижения перемычки снизу вверх до образования Компактного кристаллического про дукта очищенного галлия и стекания

0 жидкой массы с последующим ее удалением, извлечением очищенного галлия и его переплавом.

емкости ведут соскабливанием.

нием его поверхностного слоя путем обработки растворителем.