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tantalum
简介
化学符号Ta属元素周期表的第VB族，原子序数73，体心立方晶格，是一种耐腐蚀、塑性好、易加工的难熔金属材料。钽的典型产品有钽粉、钽丝、钽板、钽棒和钽管等。
简史 元素钽是瑞典化学家埃克贝里(A.G.Eke-berg)于1802年发现的，并以古希腊神话中宙斯之子Tantalus(坦塔罗斯)之名命名为Tantalum。1903年德国化学家博尔顿(W.Von.Bolton)首先制出纯钽，并用于制造白炽灯泡中的灯丝。第二次世界大战期间，钽作为外科的新型材料用于接骨板，缝合神经及血管等。1940年德国贝尔电话实验室发明了钽电容器，钽的应用迅速进入电子工业。50年代以后，钽在电容器、高温合金、化工和原子能工业、真空技术及其他领域中的应用不断扩大，需要量逐年上升。先进的溶剂萃取分离和钽、铌提纯工艺，钠还原氟钽酸钾制取钽粉工艺的研究成功和应用，促进了生产的发展。中国于60年代初建立了钽的冶金工业。
性能 包括物理性质、力学性能和化学性质。钽的物理性质列于表1，钽的力学性能列于表2。
表1 钽的物理性质
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晶体结构 晶格常数/nm 配位数 离子半径/nm 密度(20℃)/g·cm-3 熔点/℃ 沸点/℃ 质量热容/kJ·(kg·K)-1 熔化热/J·kg-1 蒸发热/J·kg-1 热导率(0～100℃)/W·(m·K)-1 电阻率(20℃)/Ω·m 介电常数(Ta2O5)/F·m-1 线膨胀系数(10～100℃)/K-1 质量磁化率/kg-1 热离子功函数/eV 辐射系数，1500℃ 2000℃ |
体心立方晶格 0.32959 8 0.1426 16.6 2996 5427±100 0.1507 1.365×103 4.324×106 57.55 1.35×10-7 27.5 6.5×10-6 +1.16×10-8 4.12 0.21 0.26 |
表2 钽的力学性能
| 维氏硬度/MPa | |
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20℃ 600℃ 1000℃ 弹性模量/MPa |
873.09 716.1 284.5 |
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室温 500℃ 1000℃ 抗拉强度/MPa |
186 171 152 |
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室温 500℃ 1000℃ 屈服强度/MPa |
241～483 172～310 90～117 |
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室温 1200℃ 伸长率/% |
456.17 468.92 |
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室温 1200℃ 泊松比 再结晶温度/℃ 塑性变脆性转化温度/℃ |
7.5 42.5 0.35 900～1200 <-250 |
钽的化学性质特别稳定，具有很好的抗腐蚀性能。常温下，除浓碱溶液外，不受无机酸的侵蚀，能与钽起反应的只有氟、氢氟酸、含氟离子的酸性溶液、发烟的三氧化硫。温度高于150℃时，钽在浓硝酸、浓磷酸、浓硫酸中会发生腐蚀。在氢氟酸、氢氟酸与硝酸的混合溶液、熔融的氢氧化钠、氢氧化钾中会产生严重腐蚀，热的草酸是惟一能腐蚀钽的有机酸。钽在硫酸和盐酸中的腐蚀率列于表3。致密的钽在200℃开始轻微氧化，280℃明显氧化，800℃剧烈氧化。钽与氧能形成多种氧化物，最稳定的是五氧化二钽(Ta2O5)。钽在250℃以上，在氢气中生成α和β脆性固溶体和Ta2H、TaH、TaH2、TaH3等多种氢化物，800～1200℃真空下，氢从钽中析出，钽又恢复其塑性。钽和氮在300℃左右开始反应，生成固溶体和氮化物(TaN)，氮在钽中极限溶解度为5.5%(原子分数)。溶解度随温度升高而升高，真空下高于2000℃时氮可从钽中分解析出。所有卤素都能与钽作用生成卤化物，室温下生成氟化钽，200℃生成氯化钽，300℃生成溴化钽，300～400℃生成碘化钽。钽与碳在高于2800℃下形成固溶体，低价碳化物有TaC2，高价碳化物有TaC。钽和硼作用主要生成TaB和TaB2。钽与硅、硒作用，主要生成TaSi2和TaSe2。
表3 钽在硫酸和盐酸中的腐蚀速度
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温度 /℃ |
腐蚀速度/ μm·a-1 |
温度 /℃ |
腐蚀速度/ μm·a-1 |
| 浓硫酸 | 20%盐酸 | ||
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175 200 250 300 |
2.54 38.1 737 8680 |
190 200 220 |
2.24 3.30 22.90 |
| 发烟硫酸 | 37%盐酸 | ||
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23 70 130 |
254 234 99060 |
100 110 120 |
1.52 4.06 9.14 |
制备方法 主要介绍钽粉和钽材的制取过程。
钽粉制取 金属钽粉主要采用钠还原法制取，将氟钽酸钾、氯化钠(或氯化钾)按计量混合后置入不锈钢反应罐，在惰性气体保护下注钠还原，物料加热到900℃时，K2TaF7+5Na=Ta+5NaF+2KF反应迅速完成。此法制得的钽粉适于制作钽电容器。钽也可采用熔盐电解法制取，用氟钽酸钾、氟化钾和氯化钾混合物的熔盐做电解质，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。其他还可用Ta2O5碳热还原，TaCl5的氢还原制取钽粉。
钽材制取 包括致密金属钽制取和塑性加工两个步骤。致密金属钽采用粉末冶金法或熔炼法或二者结合的方法制备。钽的粉末冶金在真空烧结炉内进行，加热方式分为直接加热、间接加热、感应加热和热压。使用最多的是间接加热。将钽粉用油压机或等静压方法压制成形、成形压力为275～700MPa;然后将压坯在≤5×10-2Pa真空、2000～2600℃高温烧结2～4h制成坯锭。在熔炼方法中有真空电子束熔炼、真空电弧熔炼等。电子束熔炼是最好的精炼方法。钽锭的精炼提纯，主要取决于熔化速度、炉内真空度、加热功率及材料的性质。为了得到最佳的质量，一般采用二次熔炼，所得钽锭的纯度可大于99.95%。采用电子束区域熔炼，钽锭的纯度可大于99.99%。电弧熔炼脱气和提纯效果不及电子束熔炼，但成本费用较低。用上述方法制取的坯锭经过锤锻、压锻、挤压、轧制、拉制等塑性加工，可生产各种规格的棒、板、丝、带和箔材。由于金属钽具有极好的延展性和塑性，钽材的冷轧加工是容易进行的。
用途 钽的主要应用领域是电子工业、化学工业、机械工业、原子能工业及其他工业。电子工业中，钽主要用于制造电容器，占钽总用量的2/3。钽电容器具有性能优良、可靠性高、容量大、体积小等优点，广泛用于军事、宇航、通讯及民用电子设备。其次用于制造低压整流器、电子管阳极、阴极或栅极，集成电路中的阻容元件，真空吸气剂等。化学工业方面，钽用于制造加热器、冷凝器、搅拌设备、耐卤素装置、高压釜、阀门等。钽用于制备硬质合金切削和钻探工具的用量占钽总用量的16%。金属钽可作超音速飞机燃烧室的结构材料，高温真空炉的加热器、隔热屏、坩埚、支撑件等。医学方面，钽作为外科手术材料用于修补头骨、缝合血管及神经和牙科器械。钽的硼化物、硅化物、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。钽钨、钽钨铪、钽铪合金用作火箭、导弹、喷气发动机的耐热高强度材料，以及制作控制、调节装置的零件。氧化钽用于制造特种光学玻璃、照相机透镜等。