Etapele și parametrii procesului de cadmiu

I. Pretratarea materiilor prime și purificarea primară

1. ‌Prepararea materiei prime de cadmiu de înaltă puritate‌

• ‌Spălare acidăScufundați lingourile de cadmiu de calitate industrială într-o soluție de acid azotic 5%-10% la 40-60°C timp de 1-2 ore pentru a îndepărta oxizii de suprafață și impuritățile metalice. Clătiți cu apă deionizată până la pH neutru și uscați cu aspiratorul.
• ‌Leșiere hidrometalurgicăTratați deșeurile care conțin cadmiu (de exemplu, zgura de cupru-cadmiu) cu acid sulfuric (concentrație 15-20%) la 80-90°C timp de 4-6 ore, atingând o eficiență de levigare a cadmiului ≥95%. Filtrați și adăugați pulbere de zinc (raport stoichiometric de 1,2-1,5 ori) pentru înlocuire, obținând cadmiu spongios.

1. ‌Topire și turnare‌

• Se introduce cadmiul spongios în creuzete de grafit de înaltă puritate, se topește sub atmosferă de argon la 320-350°C și se toarnă în matrițe de grafit pentru răcire lentă. Se formează lingouri cu o densitate ≥8,65 g/cm³.

II. Rafinarea zonei

1. ‌Echipamente și parametri‌

• Se utilizează cuptoare de topire cu zonă flotantă orizontală, cu o lățime a zonei topite de 5-8 mm, o viteză de deplasare de 3-5 mm/h și 8-12 treceri de rafinare. Gradient de temperatură: 50-80°C/cm; vid ≤10⁻³ Pa‌
• ‌Segregarea impuritățilorTreceri repetate ale zonei concentrează plumbul, zincul și alte impurități la coada lingoului. Se îndepărtează secțiunea finală bogată în impurități, cu o puritate intermediară de ≥99,999%.

1. ‌Comenzi cheie‌

• Temperatura zonei topite: 400-450°C (puțin peste punctul de topire al cadmiului de 321°C);
• Viteză de răcire: 0,5-1,5°C/min pentru a minimiza defectele rețelei;
• Debit de argon: 10-15 L/min pentru a preveni oxidarea

III. Rafinare electrolitică

1. ‌Formularea electroliților‌

• Compoziția electroliților: sulfat de cadmiu (CdSO₄, 80-120 g/L) și acid sulfuric (pH 2-3), cu adaos de 0,01-0,05 g/L gelatină pentru a îmbunătăți densitatea depunerii catodice.

1. ‌Parametrii procesului‌

• Anod: Placă de cadmiu brut; Catod: Placă de titan;
• Densitate de curent: 80-120 A/m²; Tensiune celule: 2,0-2,5 V;
• Temperatura de electroliză: 30-40°C; Durată: 48-72 ore; Puritatea catodului ≥99,99%

IV. Distilarea prin reducere în vid

1. ‌Reducerea și separarea la temperaturi înalte‌

• Se introduc lingouri de cadmiu într-un cuptor cu vid (presiune ≤10⁻² Pa), se introduce hidrogen ca reducător și se încălzește la 800-1000°C pentru a reduce oxizii de cadmiu la cadmiu gazos. Temperatura condensatorului: 200-250°C; Puritate finală ≥99,9995%

1. ‌Eficacitatea eliminării impurităților‌

• Plumb rezidual, cupru și alte impurități metalice ≤0,1 ppm;
• Conținut de oxigen ≤5 ppm

Creșterea monocristalului V. Czochralski

1. ‌Controlul topiturii și prepararea cristalelor de însămânțare‌

• Încărcați lingouri de cadmiu de înaltă puritate în creuzete de cuarț de înaltă puritate, topiți sub argon la 340-360°C. Utilizați semințe de cadmiu monocristalin orientate <100> (diametru 5-8 mm), pre-recoapte la 800°C pentru a elimina stresul intern.

1. ‌Parametrii de extragere a cristalelor‌

• Viteză de tragere: 1,0-1,5 mm/min (stadiul inițial), 0,3-0,5 mm/min (creștere în stare stabilă);
• Rotația creuzetului: 5-10 rpm (contra-rotație);
• Gradient de temperatură: 2-5°C/mm; Fluctuația temperaturii la interfața solid-lichid ≤±0,5°C

1. ‌Tehnici de suprimare a defectelor‌

• ‌Asistență în câmp magneticAplicați un câmp magnetic axial de 0,2-0,5 T pentru a suprima turbulența topiturii și a reduce striațiile impurităților;
• ‌Răcire controlatăRata de răcire post-creștere de 10-20°C/h minimizează defectele de dislocare cauzate de stresul termic.

VI. Post-procesare și controlul calității

1. ‌Prelucrarea cristalelor‌

• ‌TăiereFolosiți ferăstraie cu sârmă diamantată pentru a tăia napolitane de 0,5-1,0 mm la o viteză a sârmei de 20-30 m/s;
• ‌LustruireLustruire chimico-mecanică (CMP) cu un amestec de acid azotic și etanol (raport vol. 1:5), obținându-se o rugozitate a suprafeței Ra ≤0,5 nm.

1. ‌Standarde de calitate‌

• ‌PuritateGDMS (spectrometrie de masă cu descărcare luminiscentă) confirmă Fe, Cu, Pb ≤0,1 ppm;
• ‌Rezistență‌: ≤5×10⁻⁸ Ω·m (puritate ≥99,9999%);
• ‌Orientare cristalograficăAbatere <0,5°; Densitate dislocații ≤10³/cm²

VII. Direcții de optimizare a proceselor

1. ‌Îndepărtarea impurităților țintite‌

• Utilizarea rășinilor schimbătoare de ioni pentru adsorbția selectivă a Cu, Fe etc., combinată cu rafinarea zonei în mai multe etape pentru a obține o puritate de grad 6N (99,9999%).

1. ‌Actualizări de automatizare‌

• Algoritmii de inteligență artificială ajustează dinamic viteza de tragere, gradienții de temperatură etc., crescând randamentul de la 85% la 93%;
• Mărirea dimensiunii creuzetului la 36 de inci, permițând o producție unică de materie primă de 2800 kg, reducând consumul de energie la 80 kWh/kg

1. ‌Sustenabilitate și Recuperarea Resurselor‌

• Regenerarea deșeurilor de spălare acidă prin schimb ionic (recuperare Cd ≥99,5%);
• Tratarea gazelor de eșapament cu adsorbție pe cărbune activ + epurare alcalină (recuperare vapori de Cd ≥98%)

Rezumat

Procesul de creștere și purificare a cristalelor de cadmiu integrează hidrometalurgia, rafinarea fizică la temperatură înaltă și tehnologiile de creștere precisă a cristalelor. Prin levigare acidă, rafinare zonală, electroliză, distilare în vid și creștere Czochralski - cuplate cu automatizare și practici ecologice - permite producția stabilă de monocristale de cadmiu de puritate ultra-înaltă de calitate 6N. Acestea satisfac cerințele pentru detectoare nucleare, materiale fotovoltaice și dispozitive semiconductoare avansate. Progresele viitoare se vor concentra pe creșterea cristalelor la scară largă, separarea țintită a impurităților și producția cu emisii reduse de carbon.