钽金属的结构与性能研究

钽金属的结构与性能研究
摘要：钽是电子工业和空间技术发展不可缺少的战略原料，钽以其独特的结构和性质，在骨科医学、电子工业、化学工业和冶金工业有很大的应用。

这篇论文主要介绍钽金属的资源、钽金属的制备和钽金属的结构和性质及其应用。

关键字：钽金属；战略原料；资源；制备；结构；应用
0 引言
钽是由瑞典化学家埃克贝里在1802年发现的，按希腊神话人物Tantalus（坦塔罗斯）的名字命名tantalum。

1903年德国化学家博尔顿（W.von Bolton)首次制备了塑性金属钽,用作灯丝材料。

1940年大容量的钽电容器出现，并在军用通信中广泛应用。

第二次世界大战期间，钽的需要量剧增。

50年代以后，由于钽在电容器、高温合金、化工和原子能工业中的应用不断扩大，需要量逐年上升，促进了钽的提取工艺的研究和生产的发展。

中国于60年代初期建立了钽的冶金工业。

美国是钽消费量最大的国家，1997年消费量达500吨，其中60%用于生产钽电容器。

日本是钽消费的第二大国，消费量为334吨。

21世纪初，随着电容器生产的发展迅速，市场供不应求。

预计，世界钽电容器的生产量达2.50亿件，需消费钽1000吨。

据美国地质调查局的统计，世界钽探明储量14000吨。

其中，澳大利亚4500吨、尼日利亚3200吨、民主刚果1800吨、加拿大1800吨、巴西1400吨。

中国资源量，主要分布在江西、福建、新疆、广西、湖南等省。

从未来发展的需求看，电容器仍是钽的主要应用领域。

如果按储量基础24000吨计算，也只能保证24年的需求。

尽管如此，钽资源的前景仍然是看好的。

首先，在世界十分丰富的铌矿床中，伴生有大量的钽资源。

其中，格陵兰南部加达尔铌、钽矿的钽资源量就达100万吨。

其次，西方已开始利用含Ta2O53%以下的大量锡炉渣。

此外，代用品的研究和利用也有了很快的发展，如铝和陶瓷在电容器领域代替钽；硅、锗、铯可在电子仪器用途上，代替钽制造整流器等。

在郑州大学先进靶材料实验室的李庆奎老师的团队主要做的是高纯钽金属靶材，做出的金属靶材通过磁控溅射等工艺形成的薄膜广泛应用于电子信息产业。

为了更深层次的探究谈金属，我对钽金属的资源、制备、结构、性能和应用进行了探究。

1 钽金属的资源
资源钽和铌的物理化学性质相似，因此共生于自然界的矿物中。

划分钽矿或铌矿主要是根据矿物中钽和铌的含量。

钽铌矿物的赋存形式和化学成分复杂,其中除钽、铌外，往往还含有稀土金属、钛、锆、钨、铀、钍和锡等。

钽的主要矿物有：钽铁矿[(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6]、重钽铁矿、细晶石和黑稀金矿等。

炼锡的废渣中含有钽，也是钽的重要资源。

已查明世界的钽储量(以钽计)约为134000短吨，扎伊尔占首位。

1979年世界钽矿物的产量(以钽计)为788短吨(1短吨＝907.2公斤)。

中国从含钽比较低的矿物中提取钽的工艺，并且取得了巨大的成就。

2 钽金属的制备
冶炼方法：钽铌矿中常伴有多种金属，钽冶炼的主要步骤是分解精矿，净化和分离钽、铌，以制取钽、铌的纯化合物，最后制取金属。

矿石分解可采用氢氟酸分解法、氢氧化钠熔融法和氯化法等。

钽铌分离可采用溶剂萃取法〔常用的萃取剂为甲基异丁基铜(MIBK)、磷酸三丁酯(TBP)、仲辛醇和乙酰胺等〕、分步结晶法和离子交换法。

分离：首先将钽铌铁矿的精矿用氢氟酸和硫酸分解钽和铌呈氟钽酸和氟铌酸溶于浸出液中，同时铁、锰、钛、钨、硅等伴生元素也溶于浸出液中，形成成分很复杂的强酸性溶液。

钽铌浸出液用甲基异丁基酮萃取钽铌同时萃入有机相中,用硫酸溶液洗涤有机相中的微量杂质，得到纯的含钽铌的有机相洗液和萃余液合并,其中含有微量钽铌和杂质元素，是强酸性溶液，可综合回收。

纯的含钽铌的有机相用稀硫酸溶液反萃取铌得到含钽的有机相。

铌和少量的钽进入水溶液相中然后再用甲基异丁基酮萃取其中的钽,得到纯的含铌溶液。

纯的含钽的有机相用水反萃取就得到纯的含钽溶液。

反萃取钽后的有机相返回萃取循环使用。

纯的氟钽酸溶液或纯的氟铌酸溶液同氟化钾或氯化钾反应分别生成氟钽酸钾(K2TaF7)和氟铌酸钾(K2NbF7)结晶，也可与氢氧化铵反应生成氢氧化钽或氢氧化铌沉淀。

钽或铌的氢氧化物在900～
1000℃下煅烧生成钽或铌的氧化物。

钽的制取：①金属钽粉可采用金属热还原（钠热还原）法制取。

在惰性气氛下用金属钠还原氟钽酸钾：K2TaF7+5Na─→Ta+5NaF+2KF。

反应在不锈钢罐中进行，温度加热到900℃时,还原反应迅速完成。

此法制取的钽粉，粒形不规则，粒度细，适用于制作钽电容器。

金属钽粉亦可用熔盐电解法制取：用氟钽酸钾、氟化钾和氯化钾混合物的熔盐做电解质把五氧化二钽(Ta2O5)溶于其中，在750℃下电解,可得到纯度为99.8～99.9%的钽粉。

②用碳热还原Ta2O5亦可得到金属钽。

还原一般分两步进行:首先将一定配比的Ta2O5和碳的混合物在氢气氛中于1800～2000℃下制成碳化钽(TaC)，然后再将TaC和Ta2O5按一定配比制成混合物真空还原成金属钽。

金属钽还可采用热分解或氢还原钽的氯化物的方法制取。

致密的金属钽可用真空电弧、电子束、等离子束熔炼或粉末冶金法制备。

高纯度钽单晶用无坩埚电子束区域熔炼法制取。

3 钽金属的结构与性质
晶体结构：晶胞为体心立方晶胞，每个晶胞含有2个金属原子。

晶胞参数：
a=330.13pm，b=330.13pm，c=330.13pm，α= 90°，β = 90°，γ = 90°，莫氏硬度：6.5，熔点：2996℃。

钽的质地十分坚硬，硬度可以达到6-6.5。

它的熔点高达2996℃，仅次于碳，钨，铼和锇，位居第五。

钽富有延展性，可以拉成细丝式制薄箔。

其热膨胀系数很小，每升高一摄氏度只膨胀百万分之六点六。

除此之外，它的韧性很强，比铜还要优异。

物理性质：质地十分坚硬、富有延展性。

化学性质：钽还有非常出色的化学性质，具有极高的抗腐蚀性，无论是在冷和热的条件下，对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。

但钽在热的浓硫酸中能被腐蚀，在150℃以下，钽不会被浓硫酸腐蚀，只有在高于此温度才会有反应，在175度的浓硫酸中1年，被腐蚀的厚度为0.0004毫米，将钽放入200℃的硫酸中浸泡一年，表层仅损伤0.006毫米。

在250度时，腐蚀速度有所增加，为每年被腐蚀的厚度为SDS毫米，在300度时，被腐蚀的速度则更加快，浸泡1年，表面被腐蚀1.368毫米。

在发烟硫酸（含15%的SO3）腐蚀速度比浓硫酸中更加严重，在130度的该溶液里浸泡1年，表面被腐蚀的厚度为15.6毫米。

钽在高温下也会被磷酸腐蚀，但该反应一般在150度以上才发生，在250度的85%的磷酸中，浸泡1年SS，表面被腐蚀20毫米，另外，钽在氢氟酸和硝酸的混酸中能迅速溶解，在氢氟酸中也能被溶解。

但是钽更害怕强碱，在110度40%浓度的烧碱溶液里，钽会被迅速溶解，在同样浓度的氢氧化钾溶液中，只要100度就会被迅速溶解。

除上面所述情况外，一般的无机盐在150度以下一般不能腐蚀钽。

实验证明，钽在常温下，对碱溶液、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂均不起作用，仅在氢氟酸和热浓硫酸作用下有所反应。

这样的情况在金属中是比F较罕见的。

4 元素用途
钽在酸性电解液中形成稳定的阳极氧化膜，用钽制成的电解电容器，具有容量大、体积小和可靠性好等优点，制电容器是钽的最重要用途，70年代末的用量占钽总用2/3以上。

钽也是制作电子发射管、高功率电子管零件的材料。

钽制的抗腐蚀设备用于生产强酸、溴、氨等化学工业。

金属钽可作飞机发动机的燃烧室的结构材料。

钽钨、钽钨铪、钽铪合金用作火箭、导弹和喷气发动机的耐热高强材料以及控制和调节装备的零件等。

钽易加工成形，在高温真空炉中作支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。

钽可作骨科和外科手术材料。

碳化钽用在250℃于制造硬质合金。

钽的硼化物、硅化物和氮化物及其合金用作原子能工业中的释热元件和液态金属包套材料。

氧化钽用于制造高级光学玻璃和催化剂。

1981年钽在美国各部门的消费比例约为:电子元件73%,机械工业19%，交通运输6%，其他2%。

5 性质用途
钽的线胀系数在0～100℃之间为6.5×10-6K-1，超导转变临界温度为4.38K,原子的热中子吸收截面为21.3靶恩。

在低于150℃的条件下钽是化学性质最稳定的金属之一。

与钽能起反应的只有氟、氢氟酸、含氟离子的酸性溶液和三氧化硫。

在室温下与浓碱溶液反应，并且溶于熔融碱中。

致密的钽在200℃开始轻微氧化，在280℃时明显氧化。

钽有多种氧化物，最稳定的是五氧化二钽(Ta2O5)。

钽和氢以上生成脆性固溶体和金属氢化物如:Ta2H,TaH,TaH2,TaH3。

在800～1200℃的真空下，氢从钽中析出钽又恢复塑性。

钽和氮在300℃左右开始反应生成固溶体和氮化合物；在高于2000℃和高真空下，被吸收的氮又从钽中析出。

钽与碳在高于2800℃下以三种物相存在:碳钽固溶体、低价碳化物和高价碳化物。

钽在室温下能与氟反应,在高于250℃时能与其他卤素反应，生成卤化物。

参考文献
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The Structure And Performance Study Of Tantalum Metal
Liang Peng
(Henan Industrial Technology Research Institute of Resources and Materies Zhengzhou University, Zhengzhou
450001 China)
Abstract:Tantalum is indispensable strategic raw materials to electronic industry and space technology development. with its unique structure and properties ,tantalum in the orthopedic medical, electronic industry, chemical industry and metallurgical industry has a great application. This paper mainly introduces the preparation of tantalum metal resources, tantalum metal and the structure and properties of tantalum metal and its application. Keywords: tantalum metal ;Strategic raw materials ;Resources ;Preparation ;Structure ;application。