I. Prétraitement des matières premières et purification primaire
- Préparation de matières premières à base de cadmium de haute pureté
- Lavage à l'acide: Immerger les lingots de cadmium de qualité industrielle dans une solution d'acide nitrique à 5-10 % à 40-60 °C pendant 1 à 2 heures pour éliminer les oxydes de surface et les impuretés métalliques. Rincer à l'eau déionisée jusqu'à pH neutre et sécher sous vide.
- Lixiviation hydrométallurgiqueTraiter les déchets contenant du cadmium (par exemple, les scories de cuivre-cadmium) avec de l'acide sulfurique (concentration de 15 à 20 %) à 80-90 °C pendant 4 à 6 heures, pour obtenir une efficacité de lixiviation du cadmium ≥ 95 %. Filtrer et ajouter de la poudre de zinc (1,2 à 1,5 fois le rapport stœchiométrique) pour le déplacer et obtenir du cadmium spongieux.
- Fusion et coulée
- Charger l'éponge de cadmium dans des creusets en graphite de haute pureté, fondre sous atmosphère d'argon à 320-350 °C et couler dans des moules en graphite pour un refroidissement lent. Former des lingots de masse volumique ≥ 8,65 g/cm³.
II. Raffinage de zone
- Équipement et paramètres
- Fours de fusion horizontaux à zone flottante avec une largeur de zone fondue de 5 à 8 mm, une vitesse de déplacement de 3 à 5 mm/h et 8 à 12 passes d'affinage. Gradient de température : 50 à 80 °C/cm ; vide ≤ 10⁻³ Pa.
- Ségrégation des impuretés: Des passages répétés en zone concentrent le plomb, le zinc et les autres impuretés à la queue du lingot. Les 15 à 20 % restants, riches en impuretés, sont éliminés, pour atteindre une pureté intermédiaire ≥ 99,999 %.
- Commandes clés
- Température de la zone de fusion : 400-450°C (légèrement au-dessus du point de fusion du cadmium de 321°C) ;
- Taux de refroidissement : 0,5-1,5°C/min pour minimiser les défauts de réseau ;
- Débit d'argon : 10-15 L/min pour éviter l'oxydation
III. Raffinage électrolytique
- Formulation d'électrolytes
- Composition de l'électrolyte : sulfate de cadmium (CdSO₄, 80-120 g/L) et acide sulfurique (pH 2-3), avec 0,01-0,05 g/L de gélatine ajoutée pour améliorer la densité du dépôt cathodique.
- Paramètres du processus
- Anode : Plaque de cadmium brut ; Cathode : Plaque de titane ;
- Densité de courant : 80-120 A/m² ; Tension de la cellule : 2,0-2,5 V ;
- Température d'électrolyse : 30-40°C ; Durée : 48-72 heures ; Pureté de la cathode ≥ 99,99 %
IV. Distillation par réduction sous vide
- Réduction et séparation à haute température
- Placer les lingots de cadmium dans un four sous vide (pression ≤ 10⁻² Pa), introduire de l'hydrogène comme réducteur et chauffer à 800-1000 °C pour réduire les oxydes de cadmium en cadmium gazeux. Température du condenseur : 200-250 °C ; pureté finale ≥ 99,9995 %.
- Efficacité d'élimination des impuretés
- Plomb résiduel, cuivre et autres impuretés métalliques ≤ 0,1 ppm ;
- Teneur en oxygène ≤ 5 ppm
Croissance monocristalline de V. Czochralski
- Contrôle de la fusion et préparation des cristaux germes
- Chargez des lingots de cadmium de haute pureté dans des creusets en quartz de haute pureté, puis fondez sous argon à 340-360 °C. Utilisez des germes de cadmium monocristallins orientés <100> (diamètre 5-8 mm), pré-recuits à 800 °C pour éliminer les contraintes internes.
- Paramètres d'extraction de cristal
- Vitesse de traction : 1,0-1,5 mm/min (stade initial), 0,3-0,5 mm/min (croissance à l'état stationnaire) ;
- Rotation du creuset : 5-10 tr/min (contre-rotation) ;
- Gradient de température : 2-5 °C/mm ; Fluctuation de température de l'interface solide-liquide ≤ ± 0,5 °C
- Techniques de suppression des défauts
- Assistance par champ magnétique: Appliquer un champ magnétique axial de 0,2 à 0,5 T pour supprimer les turbulences de fusion et réduire les stries d'impuretés ;
- Refroidissement contrôlé: Le taux de refroidissement post-croissance de 10 à 20 °C/h minimise les défauts de dislocation causés par le stress thermique.
VI. Post-traitement et contrôle qualité
- Usinage de cristaux
- Coupe: Utilisez des scies à fil diamanté pour couper des plaquettes de 0,5 à 1,0 mm à une vitesse de fil de 20 à 30 m/s ;
- Polissage: Polissage mécano-chimique (CMP) avec un mélange acide nitrique-éthanol (rapport vol. 1:5), obtenant une rugosité de surface Ra ≤ 0,5 nm.
- Normes de qualité
- Pureté: GDMS (spectrométrie de masse à décharge luminescente) confirme Fe, Cu, Pb ≤ 0,1 ppm ;
- Résistivité: ≤5×10⁻⁸ Ω·m (pureté ≥99,9999 %) ;
- Orientation cristallographique: Écart < 0,5° ; Densité de dislocations ≤ 10³/cm²
VII. Orientations d'optimisation des processus
- Élimination ciblée des impuretés
- Utiliser des résines échangeuses d'ions pour l'adsorption sélective de Cu, Fe, etc., combinées à un raffinage de zone à plusieurs étapes pour obtenir une pureté de grade 6N (99,9999 %).
- Mises à niveau de l'automatisation
- Les algorithmes d'IA ajustent dynamiquement la vitesse de traction, les gradients de température, etc., augmentant le rendement de 85 % à 93 % ;
- Augmenter la taille du creuset à 36 pouces, permettant une matière première en un seul lot de 2 800 kg, réduisant la consommation d'énergie à 80 kWh/kg.
- Durabilité et récupération des ressources
- Régénérer les déchets de lavage acide par échange d'ions (récupération de Cd ≥ 99,5 %) ;
- Traiter les gaz d'échappement par adsorption sur charbon actif + épuration alcaline (récupération des vapeurs de Cd ≥ 98 %)
Résumé
Le procédé de croissance et de purification des cristaux de cadmium intègre l'hydrométallurgie, l'affinage physique à haute température et les technologies de croissance cristalline de précision. Grâce à la lixiviation acide, au raffinage par zone, à l'électrolyse, à la distillation sous vide et à la croissance Czochralski, associés à l'automatisation et à des pratiques respectueuses de l'environnement, il permet une production stable de monocristaux de cadmium ultra-purs de grade 6N. Ceux-ci répondent aux besoins des détecteurs nucléaires, des matériaux photovoltaïques et des semi-conducteurs avancés. Les avancées futures porteront sur la croissance cristalline à grande échelle, la séparation ciblée des impuretés et la production bas carbone.
Date de publication : 06/04/2025