專利名稱：通過基于氫的等離子體進(jìn)行處理的材料凈化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從材料除去氧的凈化方法。

背景技術(shù)：
材料的氧污染對(duì)于科學(xué)和工業(yè)中寬廣范圍的原材料來說是個(gè)問題。除去或減少氧污染經(jīng)常成為只能艱難并付出很大努力才能克服的問題或任務(wù)。這些問題經(jīng)常被氧雜質(zhì)的基本特征所放大，這些氧雜質(zhì)是由原材料吸收天然釋放的O2和/或與其反應(yīng)所引起的。由于空氣中氧氣的存在，氧污染幾乎無處不在。除此之外，氧污染的去除經(jīng)常由于生成高穩(wěn)定性的氧化物而變得復(fù)雜。
例如基于相應(yīng)氧化物還原的其它常見凈化過程常常導(dǎo)致由于用過的還原劑而引起的材料污染和/或決定性的顯微組織變化。
另一方面，原材料的污染經(jīng)常阻礙該材料用于原本的目的。


發(fā)明內(nèi)容
因此，本主題發(fā)明的任務(wù)是提供一種除去氧的凈化方法，特別是允許避免熱處理或?qū)⑦€原劑留在材料中的處理的過程。
根據(jù)本發(fā)明，通過從材料中除去氧的凈化方法解決了該任務(wù)，其中用基于氫的等離子體處理含氧雜質(zhì)的材料。
包括用基于氫的等離子體進(jìn)行處理的本發(fā)明的過程一般可用于所有材料以除去含氧的雜質(zhì)。優(yōu)選地，使用溫度穩(wěn)定材料，特別是在≤600℃、更優(yōu)選≤750℃、最優(yōu)選≤950℃的溫度下不明顯蒸發(fā)，以及不發(fā)生任何其他降解過程的材料。優(yōu)選地，所用的材料為元素，特別是金屬或非金屬元素。然而，由多于一種元素組成的化合物也可以通過本發(fā)明進(jìn)行凈化。
特別優(yōu)選地，本發(fā)明的凈化方法用于從硼，特別是從非晶態(tài)硼中除去氧。非晶態(tài)硼的氧污染特別難以除去，并且是嚴(yán)重的問題。生產(chǎn)非晶態(tài)硼的工業(yè)途徑通常包括用適當(dāng)?shù)倪€原劑將B2O3還原。通過這樣的處理，通常得到含有高達(dá)4質(zhì)量％的氧的非晶態(tài)硼材料。這阻礙了這種材料在例如化學(xué)制備中的應(yīng)用，因?yàn)樵谠S多應(yīng)用領(lǐng)域中，使用的非晶態(tài)硼必須不含氧或者至少顯示出最低可能的氧含量。
非晶態(tài)硼通常用于這一目的，因?yàn)樵诨瘜W(xué)反應(yīng)中其顯示出與晶體硼相比高得多的化學(xué)反應(yīng)性。然而，通過任何種類的引發(fā)氧化硼蒸發(fā)的熱處理來凈化非晶態(tài)硼的嘗試都會(huì)導(dǎo)致硼的結(jié)晶，并因此導(dǎo)致非晶態(tài)硼到不希望的晶體形態(tài)的轉(zhuǎn)變。
與氧化硼B(yǎng)2O3不同，可以在任意爐中使用氫氣清潔金屬將它們的氧化物大部分除去。然而對(duì)于通常含有最大氧化物污染的細(xì)微和反應(yīng)性的粉末來說，這些傳統(tǒng)的清潔方法導(dǎo)致細(xì)微粉末的燒結(jié)。在另一方面，在微波等離子體爐中即使最細(xì)的金屬粉末也可以在幾分鐘內(nèi)被清潔完全除去它們的氧化物，并且沒有任何顆粒尺寸的變化。使用足夠短的脈沖等離子體來控制溫度。微波爐的功率總是被調(diào)節(jié)為適合于金屬的氧化物性質(zhì)和顆粒尺寸。
根據(jù)本發(fā)明，可以從材料中除去氧，該材料優(yōu)選完全保持其原始結(jié)構(gòu)，然而至少大于材料的90重量％，更優(yōu)選大于材料的95重量％。根據(jù)本發(fā)明，非晶態(tài)硼可以釋放氧，并且得到的產(chǎn)物是不含氧的硼或者具有降低的氧含量的硼，其中硼仍然是非晶態(tài)的。
基本上，含氧雜質(zhì)的所有材料都可以通過本發(fā)明的方法得到凈化。通常，用作起始材料的材料(以材料的總重量為基準(zhǔn))具有≥1重量％，特別≥4重量％，優(yōu)選≥10重量％的氧。氧雜質(zhì)可以分散的形式或者也可以結(jié)合的形式作為氧存在，特別是以氧化物的形式存在。
在本發(fā)明的方法中，可以顯著降低氧的量，特別是降低到(以材料的總重量為基準(zhǔn))≤0.5重量％的含量，更優(yōu)選降低到≤0.1重量％的含量，優(yōu)選≤0.05重量％，且進(jìn)一步優(yōu)選≤0.01重量％。達(dá)到的實(shí)際氧含量取決于各自的處理?xiàng)l件，并且可以由技術(shù)人員根據(jù)所需的最終值進(jìn)行調(diào)整。
如實(shí)施例中所示，對(duì)于實(shí)施例來說，使用本發(fā)明的方法從非晶態(tài)硼中除去氧可以達(dá)到＜0.1質(zhì)量％的水平，使用目前已知的方法不可能達(dá)到該水平。
根據(jù)本發(fā)明，起始材料的處理受到基于氫的等離子體的影響。這種等離子體有利地含有≥5質(zhì)量％，特別是≥20質(zhì)量％，優(yōu)選≥50質(zhì)量％，特別是≥90質(zhì)量％，優(yōu)選≥99質(zhì)量％且更優(yōu)選≥99.5質(zhì)量％的氫，然而，也可以完全由氫組成。為了產(chǎn)生等離子體，提供具有所需壓力的含有氫、以及(如果需要的)一種或多種惰性氣體的氣氛。該壓力有利地為0.1到100，特別是1到20巴。特別優(yōu)選純的基于氫的等離子體或者基于氫和至少一種選自氬氣和氮?dú)獾亩栊詺怏w的混合物的等離子體。等離子體中的氧含量?jī)?yōu)選≤10ppm，特別是≤5ppm，更優(yōu)選≤1ppm且最優(yōu)選≤0.6ppm。有利地，將該等離子體中的氧含量調(diào)節(jié)到0.1到0.5ppm。此外，等離子體中的水含量有利地≤10ppm，特別是≤5ppm，更優(yōu)選≤1ppm，且更優(yōu)選≤0.1ppm。
使用基于氫的等離子體的處理可以根據(jù)所需的氧去除程度進(jìn)行變化的持續(xù)時(shí)間，通常持續(xù)時(shí)間為0.5到10h，特別是2到5h，且通常3到3.5h是有利的。
等離子體處理優(yōu)選在700℃到1,500℃、特別是800℃到1,100℃的溫度下進(jìn)行。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明，使用的氫等離子體為微波誘導(dǎo)等離子體。作為微波輻射源，例如可以使用在1到10Ghz，特別是2到3Ghz下具有100到2,000W，特別是500到1,000W的能源。等離子體，特別是微波誘導(dǎo)等離子體中產(chǎn)生的H+自由基和H+離子非常活躍，因此原則上任何種類的材料都可以通過進(jìn)行本發(fā)明的過程得到凈化。特別地H+自由基和H+離子活躍到足以將氧從非晶態(tài)硼中除去，而使用迄今為止的現(xiàn)有技術(shù)方法不可能通過保持非晶態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行該凈化。
在特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，氧在氧吸收劑的存在下被去除。氧吸收劑的使用大大提高了凈化效率。盡管可使用任何氧吸收劑材料，但使用鈦取得了特別好的結(jié)果。
雖然不希望被束縛于一個(gè)系列，但相信通過使用非平衡過程促進(jìn)了根據(jù)本發(fā)明的氧成功去除。
根據(jù)本發(fā)明的方法允許進(jìn)行凈化除去氧雜質(zhì)而不使材料被任何其他試劑污染。特別是不需要可能會(huì)殘留在材料中的還原劑。此外，不發(fā)生顯微組織的變化，這意味著原材料的結(jié)構(gòu)與處理過材料的顯微組織相同。例如，這允許保持非晶態(tài)硼，并且僅除去氧雜質(zhì)而不將非晶態(tài)的顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的顯微組織。

具體實(shí)施例方式 通過下列實(shí)施例進(jìn)一步闡釋本發(fā)明。
實(shí)施例1 將約0.2g非晶態(tài)硼(ICP分析為99.999％金屬、4.05±0.21質(zhì)量％氧)置于清潔并退火的氧化鋁坩堝中，然后和另外的含有氧吸收劑(例如鈦)的坩堝一起置于石英安瓿中。所有描述的操作都在具有受控氣氛(＜0.1ppm H2O、0.1-0.6ppm O2)的充有氬氣的手套箱中進(jìn)行。安瓿被抽真空并用所需的氣體填充到一定的壓力，然后密封。改變填充氣體組成以尋找對(duì)于凈化最好的氣體組成。純氬氣和氮?dú)獾入x子體處理不改變氧含量。基于Ar/H2的等離子體(5體積％H2)導(dǎo)致氧含量的降低。使用純氫氣作為填充氣體取得最好的結(jié)果。
還進(jìn)行了不使用氧吸收劑的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，使用氧吸收劑可以大大地加強(qiáng)凈化。
使用Samsung M1719N微波(800W，2.45GHz)作為微波輻射源。
處理之后，打開安瓿，然后在手套箱中制備用于化學(xué)分析的試樣(probe)。
使用H2等離子體、以Ti為吸收劑并且反應(yīng)時(shí)間為約3到3.5小時(shí)的條件下，實(shí)現(xiàn)了最好的結(jié)果(處理后氧為0.09±0.05質(zhì)量％)。
粉末X射線衍射研究顯示，起始材料和等離子體處理過的產(chǎn)品都沒有出現(xiàn)尖銳的衍射峰，以及只在較低衍射角處出現(xiàn)寬的強(qiáng)度隆起。這證實(shí)了材料的非晶體狀態(tài)。掃描電子顯微鏡觀察顯示，在等離子體處理過的產(chǎn)品中，起始的顆粒被燒結(jié)為較大的聚集體。
權(quán)利要求
1.用于從材料中除去氧的凈化方法，其特征在于使用基于氫的等離子體處理含氧雜質(zhì)的材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在氧吸收劑的存在下去除氧。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于使用鈦?zhàn)鳛檠跷談?br> 4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于有待凈化的材料為溫度穩(wěn)定材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于該材料選自非金屬元素或金屬。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于從硼，特別是從非晶態(tài)硼中除去氧。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于該有待凈化的材料以材料的總重量計(jì)，含氧雜質(zhì)的量≥1重量％，特別是≥4重量％，優(yōu)選≥10重量％。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于該氧雜質(zhì)以氧化物的形式存在。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于該材料被凈化到以材料的總重量計(jì)，氧含量≤0.5重量％，特別是≤0.1重量％，優(yōu)選≤0.05重量％。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于該基于氫的等離子體包含≥5體積％，特別是≥90體積％，且優(yōu)選≥99體積％的H2。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于使用由H2和可選的惰性氣體，例如氬氣或氮?dú)饨M成的基于氫的等離子體。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于在該基于氫的等離子體中的氧含量≤10ppm O2。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于在該基于氫的等離子體中的水含量≤10ppm。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于執(zhí)行使用基于氫的等離子體的處理持續(xù)0.5到10h。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于使用微波誘導(dǎo)的等離子體。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于從材料，特別是從硼中，通過基于氫的等離子體處理除去氧的凈化方法。
文檔編號(hào)B01D53/32GK101222968SQ200680026070
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2006年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月17日
發(fā)明者A·阿列克謝耶瓦, K·科夫尼爾, P·奇若夫, M·拜廷格爾, Y·格林 申請(qǐng)人:馬普科技促進(jìn)協(xié)會(huì)