[科普中国]-高纯铝

高纯铝具有良好的延展性，通常可以碾压成极薄的铝箔或极细的铝丝，使用机械碾压可以制作达到厚度为0.4微米的独立铝箔，而电沉积则可制作厚度达到7.5纳米的铝膜，但该铝膜必须依附在塑料基膜上。

简介通常把纯度（铝含量）大于99.8%的纯铝叫做高纯铝（highpurity aluminium).它是以优质精铝为原料，采用定向凝固提炼法生产的。高纯铝又可细分为次超高纯铝（铝含量99.5%~99.95%)、超高纯度铝（铝含量99.996%~99.999%）和极高纯度铝（铝含量99.999%以上）。高纯铝呈银白色，表面光洁，具有清晰结晶纹，不含有夹杂物。高纯铝具有低的变形抗力、高的电导率及良好的塑性等性能，主要被应用于科学研究、电子工业、化学工业及制造高纯合金、激光材料及一些其他特殊用途。产品一般以半圆锭或长板锭供货，每个半圆锭质量不小于45kg.每个长板锭质量不大于25kg，长板锭断面尺寸一般为200mm*65mm，长度不大于600mm.

简述铝工业出现了新一轮的投资热潮，其投资的速度和力度前所未有。但与此同时，制约中国铝工业发展的问题越来越突出。其主要问题如下：

1.产量逐年增加，预计2005年的产量为700万吨，2010年将达到1000万吨。随着产量的增加，原铝的供求状况将由供求平衡逐渐转变为供大于求，这势必造成竞争加剧，主要表现在价格的竞争，企业利润下降，甚至无利可图。

2.资源短缺，主要表现在氧化铝和电力上，氧化铝及电价的提价，造成企业生产成本的上升。

3.单一铝厂产量小，不成规模，不能发挥规模效应，成本较高，缺乏竞争力。

4.产业结构建设不合理，重复建设严重，资源大量浪费。原铝生产纷纷上马，而附加值高的铝合金、高纯铝却倍受冷落。

5.存在严重的环保问题，部分企业采用落后的自锫槽技术，不符合环保型铝厂发展的要求，面临停业整改。

6.中国铝工业缺乏国际竞争力，成本高，竞争力小。

综上所述，在市场竞争日益激烈的情况下，铝工业必须寻找新的发展思路，规避风险，才能长久发展。而作为具有高科技、高附加值的纯铝正符合此要求，很多铝厂已把上马高纯铝项目提上日程。

相对于传统的初级加工铝锭而言，高纯铝的生产有着较高的产品附加值及利润空间。高纯铝指的是Al含量≥99.999%（5N）的铝。高纯铝具有许多优良性能，用途广泛。它具有比原铝更好的导电性、延展性、反射性和抗腐蚀性，在电子工业及航空航天等领域有着广泛的用途。在电子工业中，用于制作高压电容器铝箔、高性能导线、集成电路用键合线；航空航天工业中，高纯铝用来开发制作等离子帆（推动航天器的最新动力）；高速轨道交通中，高速轨道交通车辆除了需要用高纯铝配制高性能合金外，还由于高纯铝具有导磁率低、比重轻的特点，在磁悬浮体材料中得到大量应用；光学应用方面，汽车工业中的车灯反射罩，天文望远镜等大量使用铝反射器，国外也在研究用高纯铝作为大型天文望远镜的反光面。随着对高纯铝性能的进一步认识和开发，高纯铝的应用前景越来越广阔。

提纯方法国际上成熟的提纯技术有三层液电解法和偏析法两种。三层液法现在应用比较广泛，但与偏析法比较起来，后者有着省电、低能耗、环保的优势，平均每吨能省电6000度。而且偏析法利用物理的方法，整个过程中不涉及其他的任何添加物质，不需要特别额外施加能源促进凝固和偏析过程，除了铝熔炼本身产生的气体和粉尘外，在生产过程中不产生任何有毒有害物质，符合环保生产的要求1。

国内发展状况中国高纯铝年产量不足10万吨，产品供不应求。根据有关资料统计，国内每年高纯铝的缺口在十几万吨左右。国际上成熟的提纯技术有两种：三层液电解法和偏析法。

三层液法现在应用比较广泛，但与偏析法比较起来，后者有着省电、低能耗、环保的优势，平均每吨能省电6000度。而且偏析法利用物理的方法，整个过程中不涉及其他的任何添加物质，不需要特别额外施加能源促进凝固和偏析过程，除了铝熔炼本身产生的气体和粉尘外，在生产过程中不会产生任何有毒有害物质，符合当前环保生产的要求。新疆众河铝厂以及贵州铝厂已经运用偏析法生产，有消息称，国内其他铝厂也已开始考虑投产，并与相关科研机构展开了合作。相信随着国内生产工艺的发展，产品质量的提高，高纯铝将是铝工业发展的新方向。

电化抛光电化学抛光是金属阳极溶解的独特电解过程，它受众多可变因素的影响。根据阳极金属的性质、电解液组成、浓度及工艺条件的不同，在阳极表面上可能发生下列一种或几种反应：

1)金属氧化成金属离子溶入到电解液中，M = M2+ + 2e；

2)阳极表面生成钝化膜，M +H2O =MO +2H+ + 2e；

3)气态氧的析出， 2H2O=O2+4H+ +4e；

4)电解液中各组分在阳极表面的氧化。电化学抛光后的阳极表面状态主要取决于上述4种反应的强弱程度。然而，由于电化学抛光过程的复杂性，提出的各种电化学抛光机制均存在一定的局限性2。

粘性膜理论由JacguetP A提出的粘膜理论认为：当电流通过电解液时，在阳极表面生成一层由阳极溶解产物组成的粘性液膜，它有较高的黏度和较大的电阻，而其厚度在粗糙表面的各个部分是不相等的，在凹陷部位的厚度大于凸起部位的厚度。由于阳极表面的“绝缘”程度不同，因而阳极表面上的电流分布不均匀，凸起部位的电流较凹陷部位的电流大。所以，凸起部位的溶解相对较快，结果便导致粗糙表面被宏观抛光。该理论的局限性在于不能回答电化学抛光过程中是否发生阳极金属的钝化氧化问题，也不能解释电化学抛光过程中所特有的阳极极化问题。

钝化膜理论该理论认为，在电化学抛光过程中，阳极极化其表面生成钝化膜，只有致密的钝化膜才能抑制表面的结晶学腐蚀。由于阳极表面上凸起和凹陷部位的钝化程度不同，其中凸起部位的化学活性较大，且开始形成的钝化膜往往不完整呈多孔性，而凹陷部位处于更为稳定的钝化状态。因此，凸起部位钝化膜的溶解破坏程度比凹处的大，其结果是凸起部位被腐蚀。如此反复，直至获得稳定致密的钝化膜层，这使电化学抛光效果可达极值。

该理论虽在微观抛光上获得了较完善的解释，但又不能较好地说明电化学抛光的全过程3。

高纯铝的主要用途高纯铝是高技术高附加值材料，所以它的主要用途是在一些高技术领域和科学研究用。例如精铝(3N8~4N8的78%左右用于轧制电解电容器铝箔，即常说的电子箔，照明灯具的用量占12%，其他用途的为6%，计算机存储硬盘的用量约4%。超纯铝(5N~6N，每种杂质的最大含量0.4ppb的95%用于制造半导体器件，5%用作超导电缆的稳定化材料。

3N~4N精铝主要用于制造电解电容器铝箔，分为阳(正极箔与阴极箔两种，前者采用纯度为3N5~4N8的铝;后者则用2N7~3N的铝或采用含有微量合金元素如铜、锰等的低合金化铝箔。电容器在轨道车辆、演播室冲击测量仪(studiosurge-measuringinstruments、荧光灯与汽车灯具、摩托车电子设备、影视设备中有着广泛的应用。

精铝在照明灯具中有着重要用途，铝越纯对光的反射率就越高，哪里有现代化的照明灯具，哪里就有精铝在起着至关重要的作用。

航空航天器要用很多高强度、高韧性、高抗蠕、高抗疲劳的铝合金，这些铝合金须用杂质含量低的铝制造。在制造航空航天发动机与导弹发射发动机方面的叶片须用超级合金，而精铝是超级合金的一个不可或缺的元素。用含铝的超级合金单晶体制造透平发动机叶片的主要优点是，既有极高的室温强度又有高的高温强度与抗高温氧化能力，因而大大提高了燃气发电机与水力涡轮发电机的工作性能与效率。

5N及6N的高纯铝在当今的高新技术中起着不可估量的作用。计算机存储硬盘是用高纯铝或高纯铝合金制造的。在制造集成电路芯片时阴极溅镀是一种必不可少的工艺，这是一种特殊的高技术工艺，蒸发的呈等离子状态的铝沉积于阴极靶面，即在硅片上形成一层薄薄的均匀的极少缺陷的铝膜，随后在膜上涂一层感光性树脂，经曝光后除去无用的部位即未感光的树脂，也就是把这些处的树脂腐蚀掉，而保留的极窄的铝条便是所需的导电体。阴极溅镀用的铝越纯，其电导率也就越高。

超纯铝的另一重要用途是作为集成电路的配线。5N超纯铝用于制造光电子存储媒体，如CD、CD-ROM、CD-RW、数据盘或微型盘、DVD银盘等。在银盘中用5N超纯铝溅射膜作为光反射层。

高纯铝在高能物理研究与探测物质基本粒子方面起了功不可没的作用。例如欧洲核研究中心(Euro-peanCentreForNuclearReserch探测器的超导结构与电缆用高纯铝作为铌-钛(Nb-T i超导线的稳定化材料，使它们始终处于超导状态。

超纯铝在航天飞机科学研究中发挥了重要作用。1998年秋美国发射的航天飞机中装有德国亚琛工业大学(AchenUniversityOfT echnol-ogy提供的AlMnSi3合金样品，是用5N超纯铝制造的。此项研究的目的是探索金属在微重力作用下的凝固行为，希望能建立理论模型以预测凝固系统中金属微观结构的形成，以及探讨金属固/液相界面模型3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学