一种高纯大尺寸氧化镁单晶的制备方法

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。

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(1)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～小于4mm、2～小于3mm、1～小于2mm和0.5～小于1mm的分级氧化镁粉体，将粒度小于

0.5mm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10～

50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2800～

3500℃、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；

步骤(1)中所述提纯化处理，包括如下步骤：(a)将菱镁矿石在600～1000℃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；

(d)将碳酸氢镁溶液加热到100℃，搅拌，生成MgCO3沉淀；

(e)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℃煅烧4～8小时，得到纯度≥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20～50mm的氧化镁球；

(h)将步骤(g)中的氧化镁球装入高温窑炉中，1700～1900℃煅烧6～12小时，得到重烧、高纯MgO；

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％。

2.根据权利要求1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％。

3.根据权利要求1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φ3m×2.7m。

4.根据权利要求1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。

说明书

一种高纯大尺寸氧化镁单晶的制备方法

技术领域

[0001] 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术，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

[0002] 氧化镁单晶具有优良的耐高低温特性（-270℃~2800℃）、高纯度（≥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85~99%，光波长2.5-7μm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、窗口材料、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。

[0003] 在各领域应用中，氧化镁单晶的尺寸一般要求在5×5×5mm-100×100×100mm之间，甚至更大。而氧化镁的熔点在2800℃以上，沸点为3600℃，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。这一过程是在炉内温度和压力极高的状态下完成的，因此冶炼的工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工艺技术，最终才能得到理想的大尺寸氧化镁单晶体。

[0004] 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术，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一些研究，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，另一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

[0005] 本发明的目的是提供一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。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0007] 一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：

[0008] （1）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％）；

[0009] （2）将步骤1）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、1~2mm和0.5~1mm的分级（不同粒度范围）氧化镁粉体，将粒度0.5mm以下的氧化镁粉体去除；

[0010] （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10~50吨混合料一次性装入单晶生长炉体中（炉膛尺寸φ3m×2.7m）；

[0011] （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℃、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10mm以上的高纯大尺寸氧化镁单晶。

[0012] 步骤（4）冶炼过程中，通过调压器将电流恒定在2万安培。

[0013] 步骤（1）中所述提纯化处理，包括如下步骤：

[0014] （a）将菱镁矿石在600~1000℃煅烧4～8小时，MgCO3分解生成MgO和CO2，得到轻烧氧化镁；

[0015] （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（Mg(HCO3)2）；

[0016] （c）使用板式过滤机，将碳酸氢镁溶液与杂质分离；

[0017] （d）将碳酸氢镁溶液加热到100℃，搅拌，脱氢生成MgCO3沉淀；

[0018] （e）再使用板式过滤机将MgCO3沉淀与杂质分离；

[0019] （f）将MgCO3沉淀干燥，然后在600～1200℃煅烧4~8小时，得到纯度≥99.8%高纯MgO粉料；

[0020] （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20~50mm的氧化镁球。

[0021] （h）将步骤（g）中的氧化镁球装入高温窑炉中，在1700～1900℃煅烧6~12小时，得到重烧、高纯MgO。

[0022] 本发明具有以下有益效果：

[0023] 1、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。

[0024] 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，进一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。

[0025] 3、本发明制造方法具有工艺简单、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

[0026] 下面结合实施例详述本发明。

[0027] 实施例1

[0028] 采用纯度为45%的菱镁矿石原料，在600℃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℃，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℃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℃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4~6mm、3~4mm、2~3mm、1~2mm和0.5~1mm的分级MgO粉体，将0.5mm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φ3m×2.7m）。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℃，冶炼36小时。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小时。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10mm以上的氧化镁单晶158公斤。

[0029] 实施例2

[0030] 采用纯度为47%的菱镁矿石原料，800℃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℃，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℃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℃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4~6mm、3~4mm、2~3mm、1~2mm和0.5~1mm的分级MgO粉体，将0.5mm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φ3m×2.7m）。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℃，冶炼45小时。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小时。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10mm以上的氧化镁单晶215公斤。

[0031] 实施例3

[0032] 采用纯度为52%的菱镁矿石原料，1000℃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℃，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℃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℃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4~6mm、