Способ переработки остатков от магнетронного распыления мишени
METHOD FOR PROCESSING RESIDUES FROM MAGNETRON SPUTTERING OF A TARGET

Изобретение относится к области металлургии, а именно переработки остатка от мишени, использованной для магнетронного распыления оксида индия-олова, с целью получения водного индийсодержащего раствора. В последующем из этого раствора можно получать индий по существующим технологиям.
Под остатком от магнетронного распыления мишени подразумевается оксид индия-олова в виде пластин размером около 5 см и толщиной до 0,5 см. Размер и форма пластины не являются значимыми параметрами.
Известен способ, заключающийся в электрохимическом извлечении конденсата индия из индийсодержащего расплава (остатка). [RU2490375, опубл.20.08.2013]. Этот способ осуществляют с применением специального электролизера.
Недостатком данного способа является необходимость использования высокотемпературного электролизера.
Известен способ электрохимического растворения оксида индия-олова из остатка от магнетронного распыления мишени [А. Г. Белобаба, А. Г. Зелинский, А. А. Гусев и др. Электрохимическая устойчивость оксидов индий-олово (ITO) / Химия в интересах устойчивого развития 22 (2014) 417-422]. Этот способ осуществляют без предварительного измельчения остатка. Электрохимическое растворение индия и олова проходит в специальной емкости.
Недостатком данного способа является необходимость применения специализированной емкости для электрохимического растворения и необходимость использовать дорогостоящие электроды.
Технической задачей изобретения является получение водного индийсодержащего раствора из остатка от магнетронного распыления мишени оксида индия-олова, из которого в последующем возможно извлечение индия.
Техническая задача достигается за счет того, что способ переработки остатка от магнетронного распыления мишени который, согласно изобретения, заключается в измельчении остатков мишени до порошкообразного состояния и растворении порошка в растворе серной кислоты, причем сначала проводят первую стадию, на которой остатки мишени размером более 5 см дробят на куски размером 1 см,  далее с помощью мельницы измельчают их до фракции порошка менее 163 мкм, механически активируют истиранием в течении 10 мин; полученный порошок порциями по 10 % от его исходной массы  растворяют в серной кислоте концентрацией 165-200 г/л, нагретой до температуры 50-80°С при интенсивном перемешивании механической мешалкой со скоростью 800 об/мин  в течение 45-150 минут, затем проводят вторую стадию, на которой индийсодержащий раствор фильтруют, нерастворенный осадок повторно растворяют в серной кислоте; полученные растворы смешивают.
Сущность способа заключается в проведении переработки остатка магнетронного распыления мишени в две стадии: осуществлении предварительного измельчения остатка до фракции менее 163 микрометров, механической активации частиц, проводимой непосредственно перед растворением, и растворением остатка в растворе серной кислоты с концентрацией 165-200 г/л. Предварительное измельчение осуществляется размолом крупных пластин остатка магнетронного распыления мишени в мельнице. Механическая активация полученного порошка, проводимая непосредственно перед подачей в раствор, осуществляется истиранием порошка в мельнице в течении 10 мин. Растворение проводят при температуре 50-80°С, подача измельченного порошка осуществляется порциями по 10% от массы исходного количества каждые 30 секунд, длительность процесса составляет 45-150 мин. Образующийся твердый осадок (кек) после растворения подвергают повторному растворению (вторая стадия) при условиях, указанных в первой стадии (чертеж). Процесс ведут до максимального растворения остатка. Отличительными признаками заявленного способа является использование предварительно измельченного и механически активированного порошка. При этом соблюдаются порционная подача порошкового материала на растворение, двухстадийность обработки, выдерживание температуры раствора и длительности процесса.
Способ переработки остатка от магнетронного распыления мишени иллюстрируется схемой, изображенной на чертеже.
Способ осуществляется следующим образом: остаток от магнетронного распыления мишени,дробят на куски размером менее 1х1х1 см, после чего измельчают и просеивают порошок (на чертеже операция «грохочения») на две фракции: более 163 микрометров и менее 163 микрометров. Фракция более 163 микрометров направляется на доизмельчение. Фракция порошка менее 163 микрометров направляется на механическую активацию. Измельчение до данной, или более мелкой фракции, необходимо для достижения оптимальной скорости и равномерности протекания процесса растворения. Непосредственно перед подачей на растворение проводится механическая активация, осуществляемая истиранием порошка в мельнице до фракции менее 163 микрометров в течение 10 минут. Длительность процесса выбрана оптимальной, для достижения механической активации частиц. В заранее разогретый и подготовленный раствор серной кислоты с концентрацией 165-200 г/лпорциями, во избежание вскипания реакционной массы и агломерации частиц, по 10 % от массы исходного количества каждые 30 секунд подается активированный порошок. На всем протяжении процесса поддерживается температура не менее 50°С, но не более 80°С и происходит перемешивание механической мешалкой со скоростью 800 об/мин.Эти параметры необходимы для оптимального извлечения индия. Длительность растворения не более 150 минут. Стоит отметить, что 150 минут являетсядостаточным временем, при котором растворяется более 95 % остатка, а повторное извлечение из твердого осадка (кек) необходимо для максимального извлечения индия.Далее полученный кек в виде не растворившегося осадка отделяют от раствора путём отстаивания и фильтрации и осадок подвергают повторному растворению свежей порцией кислоты концентрацией 165-200 г/л. Процесс ведут до максимального растворения осадка. После чего первоначально полученный индийсодержащий раствор соединяют с полученным на второй стадии от растворения кека индийсодержащим раствором.
Полученный водный индийсодержащий раствор может быть направлен на дальнейшую очистку от примесей и извлечение индия из раствора по известным технологическим процессам (не является предметом изобретения).
Пример конкретного выполнения способа:
Апробирование способа проводилось на кафедре «Материаловедение и физико-химия материалов» ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)».
Для получения индийсодержащего раствора произведены следующие действия: остаток от магнетронного распыления мишени массой около 25 грамм, включающий смешанные оксиды индий-олово (ITO) размером более 5 сантиметров дробился на куски размером около 1 сантиметра. Далее куски загружались в мельницу для интенсивного измельчения. Измельченный порошок просеивали через сито с размером ячейки 163 мкм. Порошок крупнее 163 мкм измельчали повторно, мелкий порошок направляли на растворение с предварительной механической активацией.
Далее порошок разделили на две равные части по 10 грамм - пример №1 и пример №2.
Пример №1: В цилиндрический стакан налили раствор кислоты концентрацией 165 г/л, объёмом 100 мл, нагревали до температуры 50°С, включали перемешивающие механизмы с частотой вращение 800 оборотов в минуту. После подготовки раствора проводили механическую активацию порошка истиранием в алундовой ступке в течение 10 минут. Механически активированный порошок порционно по 10 % от исходной массы каждые 30 секунд добавляли в стакан с раствором серной кислоты. По истечении 45 минут растворения осуществляли разделение нерастворенного остатка (кек) от раствора кислоты на бумажном фильтре. Отфильтрованный нерастворенный кек (на второй стадии) подвергали повторному растворению в свежей порции кислоты в течении 45 мин при тех же условиях, при которых шло растворение первой порции измельченного порошка, полученного из остатка мишени вкислоте (порционное, по 10 % массы исходного количества, растворение кека в серной кислоте концентрации 165 г/л при нагреве до температуры 50°С, интенсивное перемешивание механической мешалкой 800 об/мин, длительность растворения 45 минут). Полученные растворы после первой и второй стадии способа были смешаны между собой. Была достигнута степень извлечения индия и олова в раствор 73 % и 69 % соответственно.
,
Пример №2: В цилиндрический стакан налили раствор кислоты концентрацией 200 г/л объёмом 100 мл, нагревали до температуры 80°С, включали перемешивающие механизмы с частотой вращение 800 оборотов в минуту. После подготовки раствора проводили механическую активацию порошка истиранием в алундовой ступке в течение 10 минут. Механически активированный порошок порционно по 10 % от исходной массы каждые 30 секунд добавляли в стакан с раствором серной кислоты. По истечении 150 минут растворения осуществляли разделение нерастворенного остатка (кек) от раствора кислоты на бумажном фильтре. Отфильтрованный нерастворенный кек подвергали повторному растворению в свежей порции кислоты в течении 150 мин при тех же условиях, при которых шло растворение первой порции измельченного порошка, полученного из остатка мишени вкислоте (порционное, по 10 % массы исходного количества, растворение кека в серной кислоте концентрации 200 г/л при нагреве до температуры 80°С, интенсивное перемешивание механической мешалкой 800 об/мин, длительность растворения 150 минут). Полученные растворы после первой и второй стадии способа были смешаны между собой. Была достигнута степень извлечения индия и олова в раствор 98 % и 97 % соответственно.
Предлагаемый способ, проводимый в две стадии (пример №1,2), позволяет извлечь в индийсодержащий раствор от 73 % до 98 % индия, содержащегося в остатке мишени.
Полученные результаты показывают, что предлагаемый способ может быть использован для получения водного индийсодержащего раствора из остатка от магнетронного распыления мишени оксида индия-олова, из которого в последующем возможно извлечение индия по известным технологическим процессам.