脈沖電流電解精煉銅的研究概述

王曉莉

銅是一種具有良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性的金屬，而且它的可鍛性和延展性也較好。銅通常用來(lái)生產(chǎn)導(dǎo)線和銅管，也可以被壓制、抽拉、鑄造成各種產(chǎn)品。隨著近代半導(dǎo)體工業(yè)的迅速發(fā)展，超高純銅的應(yīng)用被廣泛重視。如果銅的純度可以達(dá)到5N （99.999%）或更高的6N（99.9999%），那么它的各種物理性能將得到很大的提高。例如：把5N或6N的銅應(yīng)用于音響器材的集成電路，制作音響電纜，將大大提高聲音的保真度;制作半導(dǎo)體的黃金粘接線也可以用這種純度的銅替代，可以節(jié)約成本;超高純銅的軟化溫度低、展性良好，可以很容易地拉制成Φ20μm～30μm的細(xì)絲。通過(guò)超高純銅的利用可以提高電子品的質(zhì)量，同時(shí)又能降低制造成本。

通常所說(shuō)的超高純銅是指純度為5N～7N的銅，有關(guān)銅的高度提純技術(shù)開(kāi)發(fā)是比較早的。當(dāng)今，電解精煉是獲取高純銅的主要方法，在提純銅的方法中電解精煉法應(yīng)用最廣、實(shí)踐最多、技術(shù)最成熟。在今后規(guī)模生產(chǎn)超高純銅的方法中，電解精煉法是最有前景的。

長(zhǎng)期以來(lái)，電解銅主要是通過(guò)直流電解生產(chǎn)，但直流電解由于受擴(kuò)散極限電流密度280A/ m2限制，無(wú)法在高電流密度下得到合格的電解銅。國(guó)外曾研究過(guò)用超聲波法，周期反向電流法脈沖電流法來(lái)提高銅沉積的電流密度，其中脈沖電流法是較好的一種方法。在小型電解槽中對(duì)影響脈沖電精煉銅的諸因素如溫度、電解液的酸度、電極間距、添加劑和雜質(zhì)等作了較全面的研究，從而得出脈沖電解制備純銅的適宜工藝條件，為改進(jìn)傳統(tǒng)直流電解精煉銅工藝打下基礎(chǔ)。

脈沖電解是一種借助脈沖電源與電解槽建立起來(lái)的電解技術(shù)。它是電化學(xué)和電力電學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。電解精煉銅工作者從20世紀(jì)60年代中期將脈沖電源引入電解領(lǐng)域，試圖提高電解速度。然而收效不大，但是卻發(fā)現(xiàn)脈沖電流對(duì)改善電解銅的性能有著奇異的功效。從此，脈沖電源引起人們的極大興趣，脈沖電解技術(shù)也日益發(fā)展起來(lái)。

與直流電解相比，脈沖電解除電流密度可以調(diào)節(jié)外，還有電流的通斷時(shí)間，脈沖頻率等多個(gè)參數(shù)可以調(diào)節(jié)，這為控制金屬沉積層的質(zhì)量和沉積速度提供了有力的手段，同時(shí)也使脈沖電解法能夠應(yīng)用于研究沉積層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面。

脈沖電解在銅的電解精煉中有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它通過(guò)改變電流波形來(lái)減小擴(kuò)散層厚度，提高極限電流密度，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)消除濃差極化，從而實(shí)現(xiàn)了高電流密度電解精煉制備高純銅的目標(biāo)。與傳統(tǒng)的直流電解相比，脈沖電解減少了支持電解質(zhì)硫酸的用量，可以在室溫下進(jìn)行電解，電解溫度溫和，還可少用或不用添加劑，因而它既可以提高電解銅的質(zhì)量和生產(chǎn)能力，又可以節(jié)約能源和減少污染，改善工人的操作環(huán)境，這與當(dāng)今世界對(duì)電解銅工業(yè)發(fā)展的三個(gè)要求“提高電解銅的生產(chǎn)能力，提高電解銅的質(zhì)量，降低電解銅的成本”是吻合的。

當(dāng)今，超高純銅的精煉，主要是將重電解與區(qū)熔精煉結(jié)合起來(lái)，甚至要分別重復(fù)操作多次，這樣的精煉對(duì)錠子的大型化、批量化生產(chǎn)是不利的。為獲得低成本的高純銅，就必須尋找制作成本低、而且重復(fù)少的精煉工序，這也是現(xiàn)今急需解決的一個(gè)問(wèn)題。為維持精煉銅的純度，后續(xù)的熔煉、鑄造等加工工序也應(yīng)加以改進(jìn)，以便能徹底防止污染，為此，包括使用無(wú)塵室等的系統(tǒng)環(huán)境無(wú)塵化技術(shù)已被運(yùn)用到了超高純銅的精煉上。為徹底掃滁每個(gè)污染源，還必須提高解析污染途徑的技術(shù)，因而必須重視微量分析技術(shù)、表面解析技術(shù)的發(fā)展。隨著科技的發(fā)展、研究的深入，超高純銅的一些優(yōu)良的性質(zhì)已經(jīng)被人們所知，其在工業(yè)、科研方面的應(yīng)用價(jià)值正不斷被發(fā)現(xiàn)，在高科技領(lǐng)域，超高純銅已被廣泛應(yīng)用，并取得了可喜的成果?，F(xiàn)在影響超高純銅大量應(yīng)用的最大問(wèn)題就是生產(chǎn)成本高.規(guī)模生產(chǎn)的精煉技術(shù)不成熟.但超高純銅誘人的應(yīng)用前景肯定會(huì)帶動(dòng)精煉技術(shù)的不斷發(fā)展?？梢灶A(yù)言，不久的將來(lái)，超高純銅的精煉技術(shù)和應(yīng)用都會(huì)得到很大的發(fā)展。

隨著對(duì)交流電電解精煉銅技術(shù)的進(jìn)一步研究，精煉銅過(guò)程中存在的一系列問(wèn)題，如電耗問(wèn)題、表面質(zhì)量問(wèn)題、電解銅發(fā)脆現(xiàn)象以及污染問(wèn)題，將迎刃而解，精煉銅工業(yè)技術(shù)也將因此取得很大進(jìn)步。

由于直流電電解精煉銅受極限電流的限制，電流效率受到了極大影響。采用脈沖交流電技術(shù)，可突破直流電極限電流的限制，其電流密度可由原來(lái)的250mA/cm^-2提高到280～300mA/cm^-2，從而可大大提高電解精煉效率。