专利名称：一种高纯大尺寸氧化镁单晶的制备方法
技术领域：
本发明属于材料科学与技术领域，涉及到晶体生长科学与技木，尤其是用低品位菱镁矿石生产高纯度(> 99. 99%)、大尺寸(> 2英寸)氧化镁(MgO)单晶的制备方法。
背景技术：
氧化镁单晶具有优良的耐高低温特性(_270°C 2800°C)、高纯度(彡99. 95%)、抗腐蚀、极佳的绝缘性、良好导热性、良好的透光性(光波长200-2000nm时透过率为85、9%，光波长2. 5-7 μ m时透过率大于92%)等优良特性，在高温超导、半导体、红外感应器、激光器、超高温材料、窗ロ材料、航空航天、医疗器械、等离子体显示器等领域得到了广泛的应用。随着科学技术的不断进步，尤其是光电产业和无线通讯的发展，单晶氧化镁的需要量越来越大，发展前景非常广阔。在各领域应用中，氧化镁单晶的尺寸一般要求在5 X 5 X 5mm-100 X 100 X IOOmm之间，甚至更大。而氧化镁的熔点在2800°C以上，沸点为3600°C，所以要想得到大尺寸、高纯度的氧化镁单晶，对原料的选择和控制要求非常严格。其次，要得到生长完美、大尺寸的高质量晶体，整个冶炼过程非常耗时耗能，将长达几十个小时。在这个过程中如何调整控制电流和电压，使冶炼过程能够安全稳定运行，电控系统承担了最艰巨的任务。还有，在前面两个条件具备的情况下，如何使原料充分熔融，杂质析出，使晶核稳定生成，生长出大尺寸晶体也是至关重要的。这ー过程是在炉内温度和压カ极高的状态下完成的，因此冶炼的エ艺设计和操作是生产单晶的关键要素。只有合理地优化这些制造エ艺技术，最終才能得到理想的大尺寸氧化镁单晶体。鉴于氧化镁单晶的优异特性及应用背景，一些发达国家一直在研究氧化镁单晶的生产及应用技木，目前比较成熟的只有日本、韩国、以色列、美国等少数国家有少量生产。然而这些国家生产的氧化镁单晶大都是以海水镁砂为原料，这种原料含硼和氯离子，因而影响了氧化镁单晶的透过率、色泽等品质(如日本公开特许公报11-349399,1999. 12.21 ;发明专利200580045352. 8 ；Toteho公司已有产品出售都是采用海水镁来生产的)。近些年来，我国在这方面也开展了ー些研究，出现了相关的发明专利。这些专利一方面需要选用纯度较高的菱镁矿为原料，另ー方面需要采用特殊的制造设备(如发明专利200410021334. 3，200510046477. 4)。
发明内容
本发明的目的是提供ー种以廉价的菱镁矿石为原料，采用静态冶炼法的高纯大尺寸氧化镁单晶的制备方法，本发明方法可以生产高纯度(> 99. 99%)、大尺寸(> 2英寸)氧化镁(MgO)单晶，且该方法制备エ艺简单，对原料来源和设备及エ艺条件的要求低，有利于推广应用。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是—种高纯大尺寸氧化镁单晶的制备方法，该方法包括如下步骤
(I)菱镁矿石(碳酸镁质量含量> 45%)经过提纯化处理，得到高纯的重烧氧化镁(氧化镁质量含量> 99.9%);(2)将步骤I)中制得的重烧氧化镁经破碎、磁选、分筛后得到粒度分别为4 6mm、3 4mm、2 3mm、I 2mm和O. 5 Imm的分级(不同粒度范围)氧化镁粉体，将粒度O. 5mm以下的氧化镁粉体去除；(3)按照最大密度的堆积原则，将分级氧化镁粉体级配混合(每级氧化镁粉体的质量含量范围为10 30%)，得到混合料，然后将1(Γ50吨混合料一次性装入单晶生长炉体中(炉膛尺寸Φ3ι Χ2· 7m)；(4)在炉膛中预埋入石墨电极2 3根；混合料装入炉体中后通电升温，在温度2800 3500で、电流2万安培条件下冶炼20 50小时；然后断电，自然冷却100 300小时；最后，剥离外层的多晶氧化镁层，即可得到氧化镁单晶块，再通过分选，即可得到尺寸在10_ 以上的高纯大尺寸氧化镁单晶。步骤(4)冶炼过程中，通过调压器将电流恒定在2万安培。步骤(I)中所述提纯化处理，包括如下步骤(a)将菱镁矿石在60(Tl000°C煅烧4 8小时，MgCO3分解生成MgO和CO2，得到轻
烧氧化镁；(b)将轻烧氧化镁加入水中，搅拌条件下通入0)2气体，生成碳酸氢镁(Mg(HCO3)2)；(c)使用板式过滤机，将碳酸氢镁溶液与杂质分离；(d)将碳酸氢镁溶液加热到100°C，搅拌，脱氢生成MgCO3沉淀；Ce)再使用板式过滤机将MgCO3沉淀与杂质分离；(f)将MgCO3沉淀干燥，然后在600 1200°C煅烧4 8小时，得到纯度彡99. 8%高纯MgO粉料；(g)采用干式压球机，在200吨压カ下，将步骤(f)中的MgO粉料压制成2(T50mm的氧化镁球。(h)将步骤(g)中的氧化镁球装入高温窑炉中，在1700 1900°C煅烧6 12小时，得到重烧、高纯MgO。本发明具有以下有益效果I、本发明采用溶解-沉淀的处理技术，将普通的菱镁矿石进行了有效的提纯；采用不同粒径的MgO粉料的最大密度堆积原则，使氧化镁原料达到合理的颗粒级配，得到最大的装料密度；然后采用恒定电流法在高温下进行静态冶炼，为氧化镁单晶提供高温、高压的生长环境，生长出高纯度、大尺寸的氧化镁单晶。2、本发明中由于在单晶生长过程中，杂质会被氧化镁单晶体向外层的保温层中推移，进ー步提高了氧化镁单晶的纯度，因此得到了纯度高达99. 99%以上的氧化镁单晶，无色透明。3、本发明制造方法具有エ艺简单、成本低廉的优点，所制备的氧化镁单晶尺寸大、纯度高、无色透明。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明。实施例I采用纯度为45 %的菱镁矿石原料，在600°C煅烧8小时，得到轻烧氧化镁。将轻烧氧化镁加入水中，充分搅拌，同时通入CO2气体，发生反应，生成碳酸氢镁[Mg (HCO3)2]。使用板式过滤机，将碳酸氢镁溶液与杂质分离。将碳酸氢镁溶液加热到100°C，搅拌，脱氢生成MgCO3沉淀。再使用板式过滤机将MgCO3沉淀与其它杂质溶液分离。将MgCO3沉淀干燥，然后在1000°C煅烧8小时，得到纯度为99. 85%高纯MgO粉料。采用干式压球机，在200吨压力下，将得到的MgO粉料压制成30mm的氧化镁球。然后装入高温窑炉中，在1750°C煅烧10小时，得到重烧、高纯MgO (纯度>99.9%)。然后破碎、磁选、分筛，分别得到粒度为Γ6πιπι、3 4mm、2 3mm、I 2mm和O. 5 Imm的分级MgO粉体,将O. 5mm以下的粉体去除。按照最大密度的堆积原则，按照10:25:30:25:10的质量比加入上述各段粒径的MgO粉料，级配混合，然后将30吨混合料一次性装入单晶生长炉体中(炉膛尺寸Φ3πιΧ2.7πι)。在炉膛中预埋入超高功率、高纯、高强石墨电极2根。通电升温，至温度为3000°C，冶炼36小吋。在恒温过程中，通过调压器将电流恒定在2万安培，为氧化镁单晶提供高温、高压的生长环境。然后断电，自然冷却120小吋。最后，剥离外层的多晶氧化镁层，即可得到纯度高达99. 99%以上、无色透明、尺寸在IOmm以上的氧化镁单晶158公斤。实施例2采用纯度为47%的菱镁矿石原料，800°C煅烧6小时，得到轻烧氧化镁。将轻烧氧化镁加入水中，充分搅拌，同时通入CO2气体，发生反应，生成碳酸氢镁[Mg(HCO3)2]。使用板式过滤机，将碳酸氢镁溶液与杂质分离。将碳酸氢镁溶液加热到100°C，搅拌，脱氢生成MgCO3沉淀。再使用板式过滤机将MgCO3沉淀与其它杂质溶液分离。将MgCO3沉淀干燥，然后在1200°C煅烧5小时，得到纯度为99. 86%高纯MgO粉料。采用干式压球机，在200吨压力下，将得到的MgO粉料压制成30mm的氧化镁球。然后装入高温窑炉中，在1800°C煅烧8小时，得到重烧、高纯MgO (纯度>99. 9%)。然后破碎、磁选、分筛，分别得到粒度为4飞mm、3 4mm、2 3mm、I 2mm和O. 5 Imm的分级MgO粉体,将O. 5mm以下的粉体去除。按照最大密度的堆积原则，按照15:25:25:25:10的质量比加入上述各段粒径的MgO粉料，级配混合，然后将40吨混合料一次性装入单晶生长炉体中(炉膛尺寸Φ3πιΧ2.7πι)。在炉膛中预埋入超高功率、高纯、高强石墨电极3根。通电升温，至温度为3500°C，冶炼45小吋。在恒温过程中，通过调压器将电流恒定在2万安培，为氧化镁单晶提供高温、高压的生长环境。然后断电，自然冷却240小吋。最后，剥离外层的多晶氧化镁层，即可得到纯度高达99. 99%以上、无色透明、尺寸在IOmm以上的氧化镁单晶215公斤。实施例3采用纯度为52%的菱镁矿石原料，1000°C煅烧4小时，得到轻烧氧化镁。将轻烧氧化镁加入水中，充分搅拌，同时通入CO2气体，发生反应，生成碳酸氢镁[Mg(HCO3)2]。使用板式过滤机，将碳酸氢镁溶液与杂质分离。将碳酸氢镁溶液加热到100°C，搅拌，脱氢生成MgCO3沉淀。再使用板式过滤机将MgCO3沉淀与其它杂质溶液分离。将MgCO3沉淀干燥，然后在1100°C煅烧6小时，得到纯度为99. 90%高纯MgO粉料。采用干式压球机，在200吨压力下，将得到的MgO粉料压制成30mm的氧化镁球。然后装入高温窑炉中，在1850°C煅烧6小时，得到重烧、高纯MgO (纯度>99. 9%)。然后破碎、磁选、分筛，分别得到粒度为Γ6πιπι、3 4mm、2 3mm、I 2mm和O. 5 Imm的分级MgO粉体,将O. 5mm以下的粉体去除。按照最大密度的堆积原则，按照15:26:23:26:10的质量比加入上述各段粒径的MgO粉料，级配混合，然后将45吨混合料一次性装入单晶生长炉体中(炉膛尺寸Φ3πιΧ2.7πι)。在炉膛中预埋入超高功率、高纯、高强石墨电极3根。通电升温，至温度为3200°C，冶炼50小吋。在恒温过程 中，通过调压器将电流恒定在2万安培，为氧化镁单晶提供高温、高压的生长环境。然后断电，自然冷却300小吋。最后，剥离外层的多晶氧化镁层，即可得到纯度高达99. 99%以上、无色透明、尺寸在IOmm以上的氧化镁单晶252公斤。
权利要求
1.一种高纯大尺寸氧化镁单晶的制备方法，其特征在于包括如下步骤 (1)菱镁矿石经过提纯化处理，得到高纯的重烧氧化镁； (2)将步骤(I)中制得的重烧氧化镁经破碎、磁选、分筛后得到粒度分别为4 6mm、3 4mm、2 3mm、I 2mm和0. 5 Imm的分级氧化镁粉体,将粒度0. 5mm以下的氧化镁粉体去除； (3)按照最大密度的堆积原则，将分级氧化镁粉体级配混合，得到混合料，然后将1(T50吨混合料一次性装入单晶生长炉体中； (4)在炉膛中预埋入石墨电极2 3根；混合料装入炉体中后通电升温，在温度280(T350(rC、电流2万安培条件下冶炼20 50小时；然后断电，自然冷却100 300小时；最后，剥离外层的多晶氧化镁层，即可得到氧化镁单晶块，再通过分选，即可得到高纯大尺寸氧化镁单晶。
2.根据权利要求I所述氧化镁单晶的制备方法，其特征在于步骤(I)中所述提纯化处理，包括如下步骤 (a)将菱镁矿石在600 1000°C煅烧4 8小时，MgCO3分解生成MgO和CO2,得到轻烧氧化镁； (b)将轻烧氧化镁加入水中，搅拌条件下通入CO2气体，生成碳酸氢镁； (c)使用板式过滤机，将碳酸氢镁溶液与杂质分离； Cd)将碳酸氢镁溶液加热到100°C，搅拌，生成MgCO3沉淀； Ce)再使用板式过滤机将MgCO3沉淀与杂质分离； (f)将MgCCUX淀干燥，然后在600 1200°C煅烧4 8小时，得到纯度彡99.8%高纯MgO粉料； (g)采用干式压球机，在200吨压力下，将步骤(f)中的MgO粉料压制成2(T50mm的氧化镁球； (h)将步骤(g)中的氧化镁球装入高温窑炉中，170(Tl90(TC煅烧6 12小时，得到重烧、高纯MgO。
3.根据权利要求2所述氧化镁单晶的制备方法，其特征在于所述菱镁矿石中碳酸镁质量含量> 45% ;所述高纯重烧氧化镁其氧化镁的质量含量大于99. 9%。
4.根据权利要求I所述氧化镁单晶的制备方法，其特征在于步骤(3)所述混合料中每一级氧化镁粉体的质量含量范围为10 30%。
5.根据权利要求I所述氧化镁单晶的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述单晶生长炉的炉膛尺寸$3mX2. 7m。
6.根据权利要求I所述氧化镁单晶的制备方法，其特征在于步骤(4)冶炼过程中，通过调压器将电流恒定在2万安培。
全文摘要
本发明公开了一种高纯大尺寸氧化镁单晶的制备方法，属于晶体生长技术领域。该方法首先将菱镁矿石提纯化处理，得到高纯的重烧氧化镁；重烧氧化镁经破碎、磁选、分筛后得到分级氧化镁粉体；按照最大密度的堆积原则，将分级氧化镁粉体级配混合，然后将10~50吨混合料一次性装入单晶生长炉体中；在温度2800~3500℃、电流2万安培条件下冶炼20~50小时；自然冷却后剥离外层的多晶氧化镁层，得到氧化镁单晶块，再通过分选，即可得到高纯大尺寸氧化镁单晶。本发明方法可以生产高纯度(≥99.99%)、大尺寸(≥2英寸)氧化镁单晶，且该方法制备工艺简单，对原料来源和设备及工艺条件的要求低，有利于推广应用。
文档编号C30B29/16GK102703978SQ20121016025
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月22日 优先权日2012年5月22日
发明者吕佳成, 汪长安 申请人:吕佳成, 汪长安