钽粉的制备方法与应用
发布日期:2020/10/25 9:01:40
背景及概述[1][2]
金属钽是一种阀金属，它可以在表面生成一层致密的氧化膜而具有单向导电的性质。钽粉所制成钽电容器的阳极膜化学性能稳定、电阻率高、介电常数大、漏电流小。另外钽电容器还具有工作温度范围宽、可靠性高、抗震和使用寿命长等优点。因此，钽粉是制作体积小、可靠性高的电容器的理想材料。当钽粉作为电解质电容器阳极材料时，粉体越细，则比表面积越大，比电容越大。要想在给定的容积中达到更高的容量，通常的做法是开发出具有更高比表面积的钽粉。钽粉的主要用途是制造钽电容器。除了电容器制造技术的因素之外，钽粉的质量对电容器的性能也有着决定性的影响。目前衡量电子钽粉电性能好坏的技术指标主要是纯度、粒度和粒形等。通常认为钽粉中杂质含量越低，纯度越高，其制得的容器漏电流越小，可靠性越高，使用寿命越长。钽粉越细，粒形越复杂，孔隙度越大，比表面积就越大，这样的钽粉比电容高，但其制得的电容器漏电流大，耐压值低。
制备[1]
钠还原氟钽酸钾法制造的工艺是目前世界应用最广，技术开发最成熟的一种钽粉生产工艺。以现有的钽粉生产工艺水平，比表面积可以达到4.5m2/g。这种还原工艺可以通过使用更高的稀释盐和烧结延缓剂来实现，从而生产并维持高的比表面积。利用这一工艺要经济地生产出比表面积大于4.5m2/g的高品质的钽粉是很困难的。用于制备固体电解电容器的钽粉有很多特定的要求，这些粉末必须具有0.4m2/g ～10m2/g的表面积；需要良好的成形和浸渍特性；合适的颗粒和孔隙大小分布。
为了消除固体电解电容器中的损失(残余电流)，其需要高纯度并精确控制杂质和掺杂物；钽粉还需具有良好的流动性和压制性能。美国专利US3012877所公开的金属钠熔盐热还原氟钽酸钾的方法，在制备超细钽粉时要加入大量的卤化物稀释剂，除了容易引入过量的杂质外，还导致生产率严重降低。其缺点包括成本高，污染大，不能连续生产等。用五氧化二钽还原制造钽粉的应用也呈增加的趋势。
多年来，钽粉生产者对由钽氧化物直接制备钽粉进行了一系列的研究，希望获得成本低、污染小、性能优的钽粉制备工艺。中国专利CN101574741研发出一种稀土金属或稀土金属氢化物多步还原制取高比容钽粉的方法。该方法采用三步还原法，避免了一步和两步法过程中还原剂加人过多，放热量大，还原温度高现象，制备出了高比容的钽粉。为获得流动性好的钽粉，需要在步还原反应之前对氧化钽粉末进行团化和掺杂处理。该方法用五氧化二钽与稀土金属直接接触，反应时间非常短，放热量大，为不可控反应。钽粉的粒径是由还原温度决定的，由于不能 完全控制反应温度，就很难再现性得到具有适合制造电容器的粒径的粉末。
CN201610236819.7提供一种成本低、比容高的钽粉制备方法。技术方案为：一种钽粉制备方法，其步骤：
(1)、按重量比取粉状超细、球形五氧化二钽300g～500g和碳质还原剂95g～165g，将它们溶于去离子水或蒸馏水中，并搅 拌均匀，制得溶液或混合液；
(2)、将上述制得溶液或混合液放入压滤机中，加0.1MP～0.2MP 的压力进行压滤，得到滤饼；
(3)、将滤饼在100～200℃条件下加热1～2小时，在50～100℃ 条件下干燥2～5小时，然后破碎、过70目筛。最后得到含有氧化钽和碳源的前驱体粉末；
(4)、将前驱体粉末置于真空炉中，在真空下1450℃保温1小时，升温到1700℃保温10～30分钟进行碳还原处理。冷却时，引入少量空气进行钝化处理，然后出炉、破碎、并过70目筛，得 到低含氧量的氧化钽粉末。此时粉末的含氧量为5wt％～10wt％；
(5)、低含氧量的氧化钽粉 末与相对于粉末氧含量化学计量的0.8～1.5Wt％镁粉混合，放入反应釜中进行次脱氧 处理，温度780℃～860℃，保温4～8小时；冷却到环境温度后，分步引入少量空气进行钝化处理；
(6)、脱氧出炉后，用10％～15％Wt硝酸洗涤多余的镁和氧化镁，并用去离子水洗涤至 中性。真空烘干粉末，温度60℃，时间12小时，并过70目筛，得到高氧钽粉，此时粉末的含氧 量为1.5wt％～4wt％；
(7)、相当于钽粉末中所需150ppm的含磷量的NH4H2PO4溶液混入过完 筛的高氧钽粉，然后放入真空干燥箱，温度60℃,时间12小时烘干；
(8)、烘干后的粉末与相对于粉末氧含量化学计算量的1～1.5Wt％镁粉混合，进行第二次脱氧处理，温度780℃～860℃时间3～5小时，当脱氧冷却降温到170℃～300℃时，进行渗氮处理，冷却到环境温度后，分步引入少量空气进行钝化处理；
(9)、脱氧出炉后，用10％～15Wt％硝酸洗涤多余的镁 和氧化镁，并用去离子水过滤洗涤至中性；
(10)、真空烘干粉末，温度60℃,时间12小时，并过70目筛，得到电容器级钽粉。
应用 [2]
多孔医用金属植入材料具有治疗骨组织创伤和股骨组织坏死等重要而特殊的用途，现常见的这类材料有多孔金属不锈钢、多孔金属钛等。作为骨组织创伤和股骨组织坏死治疗使用的多孔植入材料，其孔隙度应达30～80%，而且孔隙全部连通与均匀分布，或根据需要孔隙部分连通与均匀分布，使之既与人体的骨组织生长相一致，又减轻了材料本身的重量，以适合人体植入使用。而难熔金属钽，由于它具有优秀的生物相容性和力学性能，其多孔材料有望作为替代前述等传统医用金属生物材料，成为主要作为骨组织坏死治疗的生物材料。
由于金属钽对人体的无害、无毒、无副作用，以及随着国内外医学的飞速发展，对钽作为人体植入材料认知的进一步深入，人们对人体植入用多孔金属钽材料的需求变得越来越迫切，对其要求也越来越高。其中作为多孔医用植入金属钽，如果能具有很高的均匀分布连通孔隙以及与人体相适应的物理机械性能，则是保证新生骨组织正常生长的重要连接件构成材料。CN201010547676.4提供一种医用植入材料多孔钽的制备方法，本发明方法制得的多孔钽材料生物兼容性和生物安全性好，同时还具有好的力学性能，特别适用于作为人体承重轻的部位的医用植入材料。
主要参考资料
[1] CN201610236819.7 一种钽粉制备方法
[2] CN201010547676.4 一种医用金属植入材料多孔钽的制备方法
