» » Получение элементарного бора
22.09.2015

Способ Муассана
Способ Муассана — это металлотермический метод, один из наиболее распространенных технических методов получения аморфного бора. Он заключается в восстановлении B2O3 металлическим магнием. При трехкратном избытке по массе борного ангидрида и последующей продолжительной химической очистке бора процесс осуществляется по реакции
B2О3 + 3Mg = 3MgО + 2B.

Применение избытка борного ангидрида способствует созданию жидкоплавкого защитного слоя, предотвращающего контакт раскаленных продуктов с окружающей атмосферой (главным образом азотом воздуха, который способствует образованию до 6—7% нитридов бора).
Реакция сильно экзотермическая, в результате чего графитовый тигель накаляется почти добела.
Тонкий порошок спека очищают сначала кипячением в разбавленной HCl до полного отмывания H3BO4, после чего 5—6 раз обрабатывают чистой кипящей HCl. Затем следует промывка дистиллированной водой, кипящим 10%-ным раствором КОН, вновь дистиллированной водой и, наконец, обработка 3—4 ч 50%-ной HF при кипячении в платиновом сосуде, а затем окончательная промывка водой и сушка в вакууме.
В результате такой очистки Муассан получал коричневый порошок бора, содержащий 94—95% В. В результате реакции восстановления B2O3 магнием в инертной атмосфере получался бор чистотой 99,6%. Получение более чистого бора может быть достигнуто лишь в результате достаточно сложных дополнительных операций удаления примесей. Основными примесями является магний в виде высшего борида магния (MgBu), а также субокись бора.
Чтобы очистить муассановский бор от борида магния MgB12, следует применять продолжительную прокалку его в вакууме при 1900—2000° С, так как борид магния разлагается на элементы только при температуре выше 1900° С. После такого прокаливания может быть получен бор чистотой 99,8%, не уступающий по чистоте лучшим образцам бора, полученным другими способами.
Получение бора крекингом бороводородов
Получение бора высокой чистоты крекингом бороводородов основано на термическом распаде диборана:
В2Н6 → 2В + 3Н2.

Диборан разлагается на аморфный бор и водород при пропускании его в смеси с гелием или в чистом виде через кварцевую трубку, накаленную до 700° С. Полученный таким образом бор оседает на стенках трубки в виде тонкого порошка со следами кремния, магния и кальция.
Ввиду наличия в настоящее время простых и сравнительно дешевых методов получения и очистки диборана способ получения чистого бора крекингом диборана представляет большой интерес для получения полупроводникового бора.
Получение бора электролизом
Наиболее детально метод электролитического получения бора был изучен Андрие. Для электролиза ею была применена криптоловая печь с графитовым тиглем, который служил анодом, и графитовым или охлаждаемым металлическим катодом (рис. 103).
Наиболее пригодным электролитом следует считать борат магния MgО*2B2О3, а для снижения вязкости этого электролита применять добавку фтористого магния. В результате получается смесь MgO*2В2О3+MgF2. В этом электролите при 1100°C и напряжении в в получали бор чистотой 95%, содержащий железо и магний.
Недостаток этого метода — сложность и продолжительность процесса извлечения бора из катодного нароста, содержащего значительное количество боратного шлака.
Получение элементарного бора

Более чистый бор (до 99,5%) получается электролизом фторобората калия KBF4 в смеси с KCl 1:5, с небольшой добавкой B2O3. Электролиз проводят с применением медного или молибденового катода при 800—850°С.
Этот метод использован в США для получения бора, обогащенного изотопом В10. Электролиз проводили в герметичной ванне в атмосфере водорода при 750—800°С. Сила тока на ванне составляла 550 а, напряжение 5—6 в. Электролитом служила смесь KBF4 (обогащенного изотопом В10) с KCl, анодом — футерованный графитом тигель ванны; катод был выполнен из монель-металла. Выделяющийся на катоде бор периодически с него удаляли; электролит по мере израсходования пополняли KBF4 и KCl.
Производительность установки составляла 32 кг бора в месяц. Снятый с катода бор после измельчения до 100 меш тщательна очищали (промывали бор кипячением в воде, затем в кипящей HCl). Полученный продукт сушили в инертной атмосфере при 110°C. Чистота электролитического бора составляла около 99%.
Дальнейшее исследование этого процесса было проведено Самсоновым с сотрудниками. Ими было показано, что для получения бора чистотой выше 99,5% электролизом в качестве электролита следует применять чистый KBF4. Электролиз идет с малым выходом бора по току, но бор получается чистый: 99,5—99,8% В.
Электролитическое рафинирование бора, совмещенное с предварительным электролизом
Предложен способ промышленного получения бора чистотой 99,88% электролизом в две стадии.
Первая стадия электролиза осуществляется из электролита, состоящего из борофтористоводородного калия (KHBF3) и борного ангидрида (B2O3). Процесс идет с выделением бора на катоде.
На второй стадии полученный на катоде осадок бора используют в качестве анода. Бор при этом подвергается анодному растворению и в виде ионов переходит в электролит, а затем разряжается на катоде, т. е. осуществляется электролитическое рафинирование бора. На катоде выделяется бор высокой чистоты, содержащий 99,88% В.
На первой стадии электролиза температура расплава 600—650°С, продолжительность процесса 3 ч; сила тока 90 а, напряжение 5,1—5,7 в. Через каждые 15—20 мин в электролит добавляют по 15 г B2O3. Катодом служит графитовый стакан диаметром 80 мм и высотой 300 мм; анод — графитовый стержень диаметром 20 мм.
На второй стадии вместо графитового стержня (анода) применяют стержень из малоуглеродистой стали диаметром 100 мм, служащий катодом. Анодом служит графитовый тигель, на стенках которого находится осадок катодного бора первой стадии электролиза.
Электролитическое рафинирование проводят при 850° С и силе тока 90 а; напряжение составляет 2,5—2,8 в. За 2 ч получается около 23 г бора высокой чистоты.
Получение чистого бора восстановлением галогенидов бора водородом
Более чистый бор может быть получен восстановлением галогенидов бора водородом. Преимуществом этого метода является возможность тщательной очистки галогенидов от примесей и, следовательно, возможность избежать образования примесей боридов и субокислов. Для получения бора используют главным образом хлориды и бромиды бора. Фторид бора восстанавливается значительно труднее, чем BCl3 и BBr3.
Термодинамические расчеты подтверждают возможность значительного увеличения выхода элементарного бора с повышением температуры при восстановлении галогенидов бора водородом, особенно при большом избытке последнего. Так, например, при восстановлении BGl3 (температура 2400° К, пятикратный избыток водорода) выход бора достигает 85%, а при восстановлении BF3 — только 40% в тех же условиях.
Метод восстановления галогенидов бора водородом может быть осуществлен в мощной электрической дуге в тлеющем электрическом разряде и на накаленной нити.
Восстановление галогенидов бора в мощной электрической дуге
Вейнтрауб получал элементарный бор восстановлением смеси BCl3+FH2 с большим избытком водорода в мощной электрической дуге.
Газовую смесь пропускали через мощную высоковольтную дугу переменного тока, создаваемую между медными охлаждаемыми водой электродами. На электродах при этом были получены крупные плотные стержнеобразные наросты бора чистотой до 100%, а на стенках аппарата отлагался высокодисперсный аморфный бор, который после промывки водой содержал до 99% В.
Выход бора при этом процессе был очень низким — не превышал 10%. Однако высокая чистота получаемого продукта делает этот метод весьма перспективным для получения полупроводникового бора.
Хакспилл, Стибер и Xorap применяли для получения элементарного бора из смеси BBr3+H2 высокочастотную дугу между вольфрамовыми электродами и получали бор чистотой 99,5%.
Куйерон в развитие этого метода проводил разложение смеси BBr3+H2 в высоковольтной и высокочастотной аппаратуре при мощности около 200 вт. В этих условиях в зависимости от диаметра вольфрамовых электродов ему удавалось либо наращивать стерженьки бора на поверхности электродов, либо получать бор осаждением на стенках аппаратуры.
При применении электродов малого диаметра (2—3 мм) на их поверхности наращивался стержневидный бор спектральной чистоты, содержащий лишь 10в-4 % Si. Если же электроды были диаметром 6 мм, на стенках аппарата оседал черный высокодисперсный бор также высокой степени чистоты.
Получение элементарного бора в тлеющем электрическом разряд

Марковский и Львова получали чистый бор (99,9% В) в тлеющем электрическом разряде из сильно разбавленной водородом смеси ВСl3+Н2.
Для восстановления применяли хлористый бор, полученный хлорированием муассановского бора. Затем BCl3 очищали от примесей железа, алюминия и кремния трехкратной фракционной перегонкой при атмосферном давлении и комнатной температуре. Для очистки от примеси хлора жидкий BCl3 долго встряхивали с сухой ртутью и пропускали его над свежими медными стружками. Электролитический водород также подвергали тщательной очистке.
Схема установки изображена на рис. 104. В разрядной трубке протекала реакция
2ВСl3 + 3Н2 → 2В+6НСl.

Для питания разряда применяли высоковольтную установку частотой 1000 гц, состоящую из генератора мощностью 3 квт и повышающего трансформатора 220/15000 в. Разрядные трубки изготовляли из кварца; электроды — медные, охлаждаемые водой.
Получение элементарного бора

Наиболее удачными следует признать полые медные, охлаждаемые водой электроды с подачей газовой смеси в разряд через канал внутри электрода (рис. 105).
Характеристика электрического разряда. Для тлеющего разряда в парах BCl3 характерно более высокое напряжение зажигания по сравнению с разрядом в чистом водороде.
В табл. 52 приведены величины напряжения зажигания тлеющего разряда при 1000 гц при разных давлениях газа.
Разряд в смеси H2+BCl3 ослепительно белый, причем на стенках разрядной трубки образуется черный высокодисперсный бор, а на электродах — плотный налет кристаллического бора, количество которого возрастает при повышении температуры электродов.
Получение элементарного бора

Образование осадков бора на электродах нежелательно, так как при отложении на электродах плотного нароста кристаллического бора значительно возрастает напряжение на электродах и возможен пробой трубок.
Влияние различных факторов на процесс. Соотношение хлорида бора и водорода. Для наилучшего осуществления реакций
2ВСl3 + 3Н2/(1:5) → 2В + 6НСl

необходим примерно пятикратный избыток водорода.
Влияние давления в разрядной трубке. Существенное влияние оказывает величина давления подаваемой смеси. Если пропускать смесь BCl3+H2 через тлеющий разряд при низком давлении (ниже 30 мм рт. ст.), образуются главным образом бораны. В пределах давлений от 40 до 200 мм рт. ст. выход бора возрастает с повышением, давления до 150 мм рт. ст.; в этих же пределах возрастает и степень превращения BCl3. При повышении давления до 150 мм рт. ст. дальнейшего улучшения выхода бора не наблюдается. На рис. 106 показана зависимость выхода бора от давления в разрядной трубке при силе тока 150 ма; H : BCl3=5; объеме BCl3 4—6 л/ч.
При повышении давления в разрядной трубке количество бора, осаждающегося на стенках трубки, возрастает до 90% от общего количества, а образование наростов на электродах уменьшается. Оптимальным считается давление ~150 мм рт. ст. (рис. 107).
Влияние скорости подачи газовой смеси. При любом давлении и любой силе тока увеличение скорости подачи газовой смеси вызывает повышение выхода бора и резкое снижение степени превращения BCl3. Из этого следует, что для каждой разрядной трубки в зависимости от ее габаритов должен быть определенный оптимум скорости подачи газовой смеси (например, 30 л/ч Н2 и 3 л/ч BCl3) или 35 л/ч Н2 и 4 л/ч BCl3 (рис. 108).
Получение элементарного бора

Влияние силы тока. По приведенным кривым на рис. 109 можно видеть, что с возрастанием силы тока разряда выход бора увеличивается, так как при этом возрастает мощность разряда, а следовательно, и его химическое действие. В разрядной трубке с полыми медными электродами при силе тока 0,1 а, напряжении 5000 в и мощности 250 вт можно получать 1—1,2 г бора в час при степени превращения BCl3 50% за один проход газовой смеси через разряд.
Такой сравнительно хороший результат достигается благодаря тому, что газовая смесь попадает через отверстие в электроде непосредственно в разряд и, таким образом, используется лучше, чем в разрядных трубках других типов.
При применении более мощной аппаратуры, а также при рециркуляции газовой смеси можно значительно улучшить показатели процесса. Чистота получаемого таким путем бора составляет выше 99,9%; спектральным анализом обнаружены следы кремния и очень незначительные следы меди, алюминия и железа.
Получение бора восстановлением галогенидов бора водородом на накаленной нити
Реакции восстановления галогенидов бора водородом при высоких температурах были применены многими исследователями для получения особо чистых препаратов кристаллического бора путем наращивания элементарного бора на накаленных до 800—1600° С вольфрамовых и танталовых нитях. Бор, полученный на накаленных нитях, не содержал даже следов каких-либо примесей, однако возможно попадание примесей вследствие взаимодействия бора с материалом нити и образования соответствующих боридов, особенно в результате реакции при более высоких температурах и небольшой толщине наращиваемого слоя бора.
Получение элементарного бора

Восстановление BCl3 водородом на раскаленной поверхности
Этот процесс был осуществлен в крупнолабораторном масштабе и описан в работе Стерна и Индеса.
В этой работе показано, что при проведении восстановления в аппарате из нержавеющей стали на титановой проволоке толщиной 4,5 мм при 1000—1200° С получаются блоки кристаллического бора до 0,5 кг.
Средняя производительность такого процесса составляет 6—8 г/ч, общий выход бора при рециркуляции BCl3 достигает 90%.
Для получения блока бора 0,5 кг, диаметром около 5 см и длиной 20 см требуется мощность порядка 8 квт. Наиболее благоприятное, объемное соотношение Н:ВСl3 = 8. Полученный бор содержал до 1% Ti.
Для очистки бора от титана, железа и других примесей, вносимых при измельчении, порошок бора хлорировали при 300—350° С. При этой температуре сам бор не хлорируется, а примеси возгоняются в виде хлоридов. После хлорирования продукт содержал 99,6% В; 0,03—0,07% Ti; -0,001% Fe; 0,001% Si; 0,003 % Cu.
На заводе Нортон (Канада) получают до 135 кг кристаллического бора в месяц восстановлением BCl3 на нагретой поверхности. Для этого смесь H2 и BCl3 пропускают над рядом графитовых стержней, нагреваемых током. На стержнях образуется плотный мелкокристаллический слой бора, который удаляют со стержней механически после каждой операции. Между графитом и бором образуется промежуточный слой карбида бора. Поэтому более чистыми оказываются верхние слои бора.
Перед пуском систему промывают азотом для удаления воздуха. Водород и BCl3 смешивают в газовом фильтре трубчатого типа. Газовая смесь из печи поступает в конденсатор, охлаждаемый сухим льдом. Heпpoреагировавший BCl3 конденсируется вместе с HCl. Затем последующим нагреванием BCl3 отгоняют, конденсируют и возвращают в процесс.
Печь диаметром 1 м и высотой 2,5 м внизу имеет водяное уплотнение и снаружи охлаждается разбрызгивателем. Графитовые стержни охлаждаются водой по внутренним каналам; ток к стержням подводится снизу через бронзовые клеммы. Вверху графитовые стержни соединяются перемычками. Температура стержней 1400—1500° С; скорость подачи водорода 16,8 м3/ч; скорость подачи BCl3 18 кг/ч. Процесс ведут при соотношении H2: BCl3 = 5. Производительность процесса ~0,5 кг/ч; общий выход продукта 70%, чистого 40%. Большая разница общего выхода и выхода годного объясняется отделением бора чистотой 97—98%.
Бор отделяют от карбида бора и пропускают через магнитный сепаратор после измельчения до 60 меш. При температуре стержней <1400° С значительно затрудняется последующее снятие с них бора.
Водород перед поступлением в печь тщательно очищают. Средняя чистота получаемого бора 97,65%, а чистого верхнего слоя 99,9%.
Разложение BBr3+H2 на накаленной нити. При разложении BBr3 в присутствии водорода на нитях из тантала при 1450° С получают плотные стержни кристаллического бора чистотой 99,9%. Скорость осаждения составляет 9 г/ч при извлечении 90% В из BBr3.
При восстановлении водородом трехбромистого бора чистота получаемого бора выше, чем из BCl3, так как BBr3 легче поддается очистке от примесей и менее термически устойчив, чем BCl3. Поэтому восстановление BBr3 протекает при более низкой температуре.
Восстановление BBr3 ведут на горизонтальной танталовой нити толщиной 0,075 мм и длиной ~ 250 мм в аппарате из стекла пирекс. В испаритель подается водород, барботирующий через жидкий BBr3. Восстановленный бор оседает на нити, непрореагировавший BBr3 удаляется из газовой фазы конденсацией и затем возвращается в испаритель.
Скорость осаждения бора регулируется силой тока и скоростью пропускания газа.
Получаемый бор имеет следующий состав: 99,9% В; 0,02% H2; 0,01% O2; <0,003% N; 0,02% С; 0,03% S; <0,01% Si; 0,02% Ta.
Для уменьшения загрязнения бора, осажденного на танталовой нити, стремились получать на танталовой нити слой TaB2 минимальной толщины, так как при растворении тантала из осадка бора в HF борид тантала TaB2 не растворяется в кислоте и загрязняет бор.
При механическом удалении танталовой нити TaB2 может удаляться вместе с ней. Для лучшего отделения осадка бора от танталовой нити необходимо соблюдать следующие условия: 1) система предварительно должна быть откачана и промыта гелием во избежание реакции нити с водородом; 2) предварительное осаждение бора следует проводить при 1100°C в течение 30 мин при низком молярном отношении H2 к BBr3; 3) затем вести осаждение бора при 1150—1175°С 1 ч при высоком молярном отношении H2 к BBr3; 4) после проведения нормального процесса восстановления BBr3 при 1450°С необходимо быстрое охлаждение осажденного бора на танталовой нити в среде водорода.
Для получения бора более высокой степени чистоты предложено вести осаждение бора из паровой фазы ВВr3 + Н2 непосредственно на нитях из чистого бора. Нити получали из бора, предварительно осажденного на танталовой нити по способу, приведенному выше. Этот бор переплавляли затем в атмосфере гелия, и по методу Чохральского вытягивали тонкие стержни, которые затем подвергали зонной плавке. Стержни бора после зонной очистки были свободны от примесей кремния, железа, магния, кальция и меди и оказывались более подходящими для изготовления из них нитей бора.
Условия осаждения бора на нити следующие: температура 1300°С; скорость подачи водорода 970 мл/мин; скорость испарения BBr3 60 мл/мин; скорость осаждения бора на нити 2—3 г/ч. Выход бора 35% от теоретического. Сила тока 60 а; напряжение ~20 в; чистота бора 99,995%.