金属元素中，铝元素在地壳中含量最高 [1] 。并且铝及其合金是在日常生活中除钢铁外最常用的金属及合金 [2] 。而高纯铝比原铝有更好的导电、导热、抗腐蚀、导磁性小等优良性能，广泛应用于电子工业和电磁构件中 [3,4] ，成为一类不可或缺的材料。从 21 世纪初，随着电子行业的飞速发展，已经从小规模集成电路(SSI)发展到大规模集成电路(LSl)的时代 [5-7] 。而高纯铝靶材作为集成电路的基础材料需求量将迅速增长。但是高纯铝靶材产品相比纯铝在性能和组织上有更高的要求，特别是对内部组织的晶粒尺寸大小和组织均匀性都有严格的要求，这将决定着靶材的溅射速率和薄膜厚度沉积的均匀性 [8,9] 。特别是在集成电路芯片和LED 中，要求高纯铝靶材的晶粒尺寸小于 200 μm，并且有良好的均匀性，而且随着靶材的大型化，其力学性能也需要满足一定的要求 [10] 。
1、高纯铝简介
高纯铝(High Purity Aluminum)，国内外的定义各不同 [11] 。国际上把一次铝叫原铝，其纯度一般为 99.90 %；西方国家定义高纯铝为纯度大于 3N5 的铝，而中国将纯度大于 4N6 的铝称为高纯铝 [12,13] 。
高纯铝的纯度表示方法主要有以下两种:
1）直接用百分数表达成分，如 99.96 %、99.999 %等 [14] ;
2）用 “ 数 字 +N” 或 “ 数 字 +N+ 数 字 ” 方 式 表 示 成 分 ， 如 5N(99.999%) 、4N5(99.995 %)等。也可用“4N+”表示纯度在 4N 与 5N 之间 [15] 。
2、高纯铝的应用
高纯铝因为具有独特的优良性能，广泛应用于电子工业、航天航天工业和光学应用等领域中 [16] 。
1）电子工业
高纯铝最主要的应用就是在电子产品领域，可以用作集成电路的键合线，储存光盘和硬盘等电子器件中 [17] 。
2）航空航天工业
主要运用高纯铝研发制作最新动力的航天推动器—等离子帆 [18] 。
3）交通领域
因为高纯铝具有低的磁导率和良好的导电率，可以作为磁悬浮材料用于高速轨道交通中。并且可以结合高纯铝材料合成高性能合金，运用在高速轨道交通列车中 [19,20] 。
4） 能源领域
可以运用到新型的铝/空气电池。运用高纯铝作为正极，氧为阴极，理论比能量明显高于铅酸电池和锂电池。并且铝的电化当量比锌小，同质量铝/空气电池是锌/空气电池放电量的 4 倍 [21-23] 。
5）光学应用方面
高纯铝反射器因为光照均匀、无炫光、无重影和扩散性好等优点，广泛应用于汽车照明和路灯照明中。并且作为反光面在大型的天文望远镜中有很多大的应用前景 [24,25] 。
6）化工、冶金工业
高纯铝具有良好的耐腐蚀特性，可以作为化工反应和储存设备。并且，还可以用于喷涂材料和薄膜溅射材料 [26] 。
3、高纯铝的制备
因为高纯铝具有广泛的应用价值，促进着高纯铝提纯工艺的研究发展，截止到目前，在高纯铝精炼工艺技术中，工业上应用最广泛的是三层液电解法与偏析法 [27,28] 。
1） 三层液电解精炼法
三层液电解法是目前工业提纯高纯铝最常用的方法，主要是因为在电解精炼体系中，根据溶体组成密度的不同分成上中下三层而命名。其基本原理是一种电化学反应过程，根据不同密度形成的液体分层分别是上层的精铝层，中层的电解质层和下层的阳极合金溶体层，通过直流电后，铝在阳极中电解，形成 Al 3+ 离子，然后 Al 3+ 离子再经过电解液后，在阴极中放电生成 Al。电化学反应式如下所示:
阳极:Al-3e= Al 3+
阴极:Al 3+ +3e=Al
因为金属元素在电解液中有不同的电极电位，特别是在合金中的铜、硅、铁等元素的电位都正于铝不溶解，所以在合适的溶度范围内都聚集滞留在阳极合金中。而阳极合金中的钠、钙、镁等电位负于铝的元素，通过电化学反应生成钠离子、钙离子、镁离子在电解液中移动聚集起来，只要不改变电解的环境，如电解液溶度、电流大小和温度，就不会在阴极析出，所以铝离子就在阴极上不断析出获得高纯度的铝 [29] 。
2）偏析熔炼法
三层液电解法最重要的一个缺点就是电能消耗量高。所以一些发达国家，特别是日本已经广泛使用能耗低，成本低的偏析法生产高纯铝，逐渐淘汰掉三层电解法 [30] 。其基本原理:就是利用杂质元素在液态凝固过程中与铝凝固过程中两相间的偏析的差异使主体金属铝以纯净的固体析出，而其他杂质还处于液相态，通过固体和液相态的分离，达到提纯的目的 [31] 。可以反复进行得到 5N 的高纯铝。
4、高纯铝的真空熔炼
因为高纯铝的纯度非常高，在高纯铝的放置或者运输过程中会有被杂物污染的现象，并会有气体杂质的进入。而且高纯铝极易发生氧化，对高纯铝后续的研究会有一定的影响。所以对高纯铝进行真空感应熔炼，在真空环境中利用电磁感应过程产生涡电流进行加热，可以提炼高纯度的金属。
对高纯铝进行真空感应熔炼，其目的可以改善铸锭的质量，降低高纯铝锭的气体含量，消除内部和表面缺陷，提高金属的纯洁度。
相关链接
