CN110303164A - 球形锗颗粒的制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球形锗颗粒的制备装置及制备方法，包括支撑架、两端开口的隔离管、设有底部尖端且在底部尖端开有通孔的石墨舟、带有第一进气管和第二进气管的塞体、流量控制器、用于加热的中频感应加热电源、用于监测温度的温度传感器、盛有冷却液的容器和搅拌器，隔离管通过支撑架悬于容器的上方，制备方法包括向石墨舟和隔离管通入惰性气体、开启中频感应加热电源加热使锗熔化、通过温度传感器控制升温速率、开启搅拌器使落入冷却液的熔融锗液滴分散和冷却的步骤。本发明具有制备装置结构简单，制备的锗颗粒具有连续稳定、清洁无污染且表面光滑、粒径均一的特点。

Description

球形锗颗粒的制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，特别涉及一种球形锗颗粒的制备装置及制备方法。

背景技术

锗是一种重要的元素半导体材料，在科学研究和和国民经济发展中具有广泛的应用，其主要用于红外光学、半导体器件、光纤通讯、PET催化剂等领域。

工业上通常以块状锗锭为原料进行锗的开发应用，相比锗锭，锗颗粒具有形状规则、大小均匀、应用简便、比表面积大、反应更加充分等优势，其颗粒可用于制作半导体靶材、医药及保健品、合金、闪烁材料、荧光材料等。目前，关于球形锗颗粒的先进制备法鲜有报道，传统制备方法均存在工艺过程复杂、耗时长、成本较高等问题，不利于锗颗粒的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供一种球形锗颗粒的制备装置及制备方法。

根据本发明的一个方面，提供一种球形锗颗粒的制备装置，包括支撑架、两端开口的隔离管、设有底部尖端且在底部尖端开有通孔的石墨舟、带有第一进气管和第二进气管的塞体、流量控制器、用于加热的中频感应加热电源、用于监测温度的温度传感器、盛有冷却液的容器和搅拌器，隔离管通过支撑架悬于容器的上方，其底端浸没于冷却液中，顶端套有塞体，石墨舟悬于隔离管内冷却液的上方，且底部尖端垂直指向冷却液，第一进气管与石墨舟的内部相通，第二进气管与隔离管的内部相通，流量控制器位于第一进气管上，温度传感器位于石墨舟的外壁，中频感应加热电源绕于隔离管的外周，搅拌器靠近容器设置，对其内部的冷却液进行搅拌。

其中，通孔的直径为1-3mm，搅拌器为磁力搅拌器或电动搅拌器，中频感应加热电源为中频感应线圈，冷却液为真空泵油，石墨舟通过钨丝悬挂。

其中，隔离管为石英管，容器为石英烧杯，温度传感器为K型热电偶。

其中，中频感应加热电源、温度传感器、搅拌器、流量控制器与控制器连接。

根据本发明的第二方面，提供一种球形锗颗粒的制备方法，包括以下步骤：

将清洗并干燥后的锗锭放入石墨舟中；将底部尖端设有通孔的石墨舟悬挂于隔离管中，并塞紧隔离管顶端的塞体；使用支撑架将隔离管架于装有冷却液的容器上方，使隔离管的底端浸没于冷却液中，并使石墨舟悬挂于冷却液的上方；通过第一进气管向石墨舟持续通入高纯惰性气体；通过第二进气管向隔离管通入高纯惰性气体，直至充满隔离管；隔离管充满惰性气体后，启动中频中频感应加热电源加热电源，对石墨舟内的锗锭进行加热；使用温度传感器控制石墨舟的升温速度，并当温度升高至一定范围时，启动搅拌器，对冷却液进行持续搅拌，使熔出并落入冷却液中的锗锭形成球形，制得球形锗颗粒。

其中，通入惰性气体的步骤中，通入第一进气管的气体流量为0.3-1L/min，通入第二进气管的气体流量为0.5-1.5L/min。

其中，控制升温的步骤中，石墨舟的升温速度为15-20℃/min，温度升高至850-900℃时，启动搅拌器。

其中，搅拌器的转速为800-900rpm。

其中，向第一进气管和第二进气管通入的高纯惰性气体均为氮气或者氩气。

其中，加热石墨舟内的步骤中，加热功率为5-10kw。

其中，通孔的直径为1-3mm。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的球形锗颗粒的制备装置，结构简单，连续稳定，制备的锗颗粒清洁无污染。

2、本发明的球形锗颗粒的制备方法，通过使用温度传感器监控升温速度，并配合相适应的气体流量控制以及搅拌转速，使制备的球形锗颗粒表面光滑、尺寸均一，且位于2-8mm之间，可用于合金、半导体靶材、医疗保健和食品等领域。

3、本发明的球形锗颗粒的制备方法，工艺简单合理，耗时短，具有重复性好，成品率高等优点。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一种实施方式的球形锗颗粒的制备装置的示意图；

图2示出了根据本发明一种实施方式的制备的球形锗颗粒的实物图。

具体实施方式

下面将根据实施例更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然说明书中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，一种球形锗颗粒的制备装置，包括支撑架、两端开口的隔离管1、设有底部尖端且在底部尖端开有通孔的石墨舟2、带有第一进气管和第二进气管的塞体3、流量控制器、用于加热的中频感应加热电源4、用于监测温度的温度传感器、盛有冷却液的容器5和搅拌器，隔离管1通过支撑架悬于容器5的上方，其底端浸没于冷却液中，顶端套有塞体3，石墨舟通过钨丝悬于隔离管内的冷却液的上方，且石墨舟的底部尖端垂直指向冷却液，使得石墨舟的底部通孔垂直指向冷却液。第一进气管与石墨舟的内部相通，用于对石墨舟的内部进气，第二进气管与隔离管1的内部相通，用于对石英管的内部进气。流量控制器位于第一进气管上，用于控制进气速度。温度传感器位于石墨舟的外壁，用于监控石墨舟的升温情况，包括升温速度和即时温度。中频感应加热电源4绕于隔离管1的外周，搅拌器靠近容器5设置，对其内部的冷却液进行搅拌。在一个具体的实施例中，搅拌器可以位于烧杯的底部。

通孔的直径为1-3mm，便于熔融的锗液滴的流出，并控制锗液滴的大小。搅拌器为磁力搅拌器或电动搅拌器，中频感应加热电源4为中频中频感应加热电源，功率大小与石墨舟的升温速度要求匹配。冷却液为真空泵油，熔化的锗料以液滴形式进入冷却液时，液滴温度较高，若冷却液燃点较低的话极易被引燃，因此其优选为真空泵油。石墨舟2通过钨丝悬挂。在一个具体的实施例中，该球形锗颗粒的制备装置为智能控制设备，中频感应加热电源4、温度传感器、搅拌器、流量控制器均通过控制器启动停止，避免人工操作误差。

本申请还涉及一种球形锗颗粒的制备方法，下面将通过具体实施例的方式对该技术方案做进一步的说明。

实施例1：制备粒径为2～4mm的球形锗颗粒

将锗锭加入HNO₃:HF溶液(3:1,v/v)腐蚀10min，然后用去离子水冲洗，氮气吹干；将1Kg锗锭放入尺寸为的圆筒状石墨舟中，将石墨舟置入尺寸为的石英管靠近底端1/3处，并用钨丝将石墨舟顶端固定；石英管顶端用橡皮塞密封，并装有气体管路，通入高纯氩气，气体流量为0.5L/min，石英管底端为敞口，供熔化的锗料流出；石墨舟顶端中心处装有气体管路，通入高纯氩气，气体流量为1 L/min，气流不断向下吹送，用于控制锗料熔化后的流速。

石英管外面套有尺寸为的感应加热线圈，25min后惰性气体充满石英管，开启中频感应线圈，加热功率为7KW，石墨吸收电磁能后将电磁场能转换成热能，石墨舟的温度逐渐升高，控制石墨舟的升温速度为18℃/min，舟体外部温度显示为875℃时内部锗锭熔化流出。

熔化的锗料从石墨舟底端直径为1mm的小孔流出，滴入盛有真空泵油的石英烧杯中，打开磁力搅拌器，转子转速为850rpm，对液滴进行搅拌，使液滴分散均匀，防止液滴粘连结块，液滴降温凝固形成球形颗粒，沉于烧杯底部，最后进行过滤、清洗等处理，得到直径为2～4mm的球形锗颗粒。

实施例2：制备粒径为3～6mm的球形锗颗粒。

将锗锭加入HNO₃:HF溶液(3:1,v/v)腐蚀10min，然后用去离子水冲洗，氮气吹干。将1Kg锗锭放入尺寸为的圆筒状石墨舟中，将石墨舟置入尺寸为的石英管靠近底端1/3处，并用钨丝将石墨舟顶端固定，石英管顶端用橡皮塞密封，并装有气体管路，通入高纯氩气，气体流量为0.3L/min，石英管底端为敞口，供熔化的锗料流出。石墨舟顶端中心处装有气体管路，通入高纯氩气，气体流量为0.5 L/min，气流不断向下吹送，用于控制锗料熔化后的流速。

石英管外面套有尺寸为的感应加热线圈，20min后惰性气体充满石英管，开启中频感应线圈，加热功率为9KW，石墨吸收电磁能后将电磁场能转换成热能，石墨舟的温度逐渐升高，控制石墨舟的升温速度为20℃/min，舟体外部温度显示为885℃时内部锗锭开始熔化流出。

熔化的锗料从石墨舟底端直径为2mm的小孔流出，滴入盛有真空泵油的石英烧杯中，此时，打开磁力搅拌器，转子转速为800rpm，对液滴进行搅拌，使液滴分散均匀，防止液滴粘连结块，液滴降温凝固形成球形颗粒，沉于烧杯底部，最后进行过滤、清洗等处理，得到直径为3～6mm的球形锗颗粒，具体如图2所示。

实施例3：制备粒径为5～8mm的球形锗颗粒。

将锗锭加入HNO₃:HF溶液(3:1,v/v)腐蚀10min，然后用去离子水冲洗，氮气吹干。将1Kg锗锭放入尺寸为的圆筒状石墨舟中，将石墨舟置入尺寸为的石英管靠近底端1/3处，并用钨丝将石墨舟顶端固定，石英管顶端用橡皮塞密封，并装有气体管路，通入高纯氩气，气体流量为1L/min，石英管底端为敞口，供熔化的锗料流出。

石墨舟顶端中心处装有气体管路，通入高纯氩气，气体流量为1.5 L/min，气流不断向下吹送，用于控制锗料熔化后的流速。石英管外面套有尺寸为的感应加热线圈，开启中频感应线圈，加热功率为5KW，石墨吸收电磁能后将电磁场能转换成热能，石墨舟的温度逐渐升高，控制石墨舟的升温速度为15℃/min，舟体外部温度显示为850℃时内部锗锭开始熔化流出。

熔化的锗料从石墨舟底端直径为3mm的小孔流出，滴入盛有真空泵油的石英烧杯中，打开磁力搅拌器，转子转速为900rpm，对液滴进行搅拌，使液滴分散均匀，防止液滴粘连结块，液滴降温凝固形成球形颗粒，沉于烧杯底部，最后进行过滤、清洗等处理，得到直径为5～8mm的球形锗颗粒。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种球形锗颗粒的制备装置，其特征在于，包括支撑架、两端开口的隔离管(1)、设有底部尖端且在底部尖端开有通孔的石墨舟(2)、带有第一进气管和第二进气管的塞体(3)、流量控制器、用于加热的中频感应加热电源(4)、用于监测温度的温度传感器、盛有冷却液的容器(5)和搅拌器，所述隔离管(1)通过所述支撑架悬于所述容器(5)的上方，其底端浸没于所述冷却液，顶端套有所述塞体(3)，所述石墨舟悬于所述隔离管内所述冷却液的上方，且底部尖端垂直指向冷却液，所述第一进气管与所述石墨舟的内部相通，所述第二进气管与所述隔离管(1)的内部相通，所述流量控制器位于所述第一进气管上，所述温度传感器位于所述石墨舟的外壁，所述中频感应加热电源(4)绕于所述隔离管(1)的外周，所述搅拌器靠近所述容器(5)设置，对其内部的冷却液进行搅拌。

2.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，

所述通孔的直径为1-3mm，所述中频感应加热电源(4)为中频感应线圈。

3.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，

所述隔离管(1)为石英管，所述容器(5)为石英烧杯，所述温度传感器为K型热电偶，所述搅拌器为磁力搅拌器或电动搅拌器，冷却液为真空泵油。

4.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，

所述中频感应加热电源(4)、所述温度传感器、所述搅拌器、所述流量控制器与控制器连接。

5.一种采用权利要求1-4任意一项所述的制备装置制备球形锗颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将清洗并干燥后的锗锭放入石墨舟中；

将底部尖端设有通孔的石墨舟悬挂于隔离管中，并塞紧隔离管顶端的塞体；

使用支撑架将隔离管架于装有冷却液的容器上方，使隔离管的底端浸没于冷却液中，并使石墨舟悬挂于冷却液的上方；

通过第一进气管向石墨舟持续通入高纯惰性气体；

通过第二进气管向隔离管通入高纯惰性气体，直至充满隔离管；

隔离管充满惰性气体后，启动中频感应加热电源，对石墨舟内的锗锭进行加热，使锗锭熔化流出；

使用温度传感器控制石墨舟的升温速度，并当温度升高至一定范围时，启动搅拌器，对冷却液进行持续搅拌，使熔出并落入冷却液中的锗锭形成球形，制得球形锗颗粒。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

通入惰性气体的步骤中，通入第一进气管的气体流量为0.3-1L/min，通入第二进气管的气体流量为0.5-1.5L/min。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

控制升温的步骤中，石墨舟的升温速度为15-20℃/min，温度升高至850-900℃时，启动搅拌器。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，

搅拌器的转速为800-900rpm。

9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

向第一进气管和第二进气管通入的高纯惰性气体均为氮气或者氩气。

10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

加热石墨舟内的步骤中，加热功率为5-10kw。