(一)钽的性质
钽的熔点为2980℃,是仅次于钨、铼的第三个最难熔的金属。纯钽略带蓝色色泽,塑性极佳,在冷状态下无需中间退火就可轧成很薄(小于0.01毫米)的板。
钽的熔点、沸点虽高,但电子逸出功比钨、钼等难熔金属为低,由于发射电子的能力弱,已在电真空技术中应用。
钽的抗蚀能力与玻璃相同,在中温(约150℃)只有氟、氢氟酸、三氧化硫(包括发烟硫酸)、强碱和某些熔盐对钽有影响。金属钽在常温的空气中稳定,加热到高于500℃则加速氧化生成Ta205。
(二)钽的用途
钽的主要冶金产品为钽粉及钽合金。
1.电容器钽粉及应用
钽电解电容器是一种以钽为金属阳极通过阳极氧化在钽表面直接生成介电(在电场方向上绝缘,反向施加电压则导电)氧化膜的电子器件。钽电容器与其他类型电容器间的最重要差别在于氧化钽介电膜的质量,氧化钽膜具有高的介电常数和击穿电压。钽粉的纯度越高,钽电容器阳极膜的击穿电压越高。钽粉的比表面积很高,即便在压制和烧结之后由于它特殊的孔隙结构仍然保持很高的比表面积,于是造成电容器的高比(电)容。在低于25伏的工作电压下适用的电容器钽粉因其比电容较高,一般称作高比容钽粉,供工作电压25伏以上电容器用的钽粉有中压(35~40伏)和高压(50~63伏)钽粉。高比容钽粉主要用钠热还原氟钽酸钾制备;高压钽粉对纯度和粉末物理性能要求较高,如对C、O和粒度的控制,必须用电子束熔炼成锭,再经氢化爆裂重新制成钽粉。
目前电容器钽粉正朝着高比容、高纯度的方向发展,国外钽粉的比容已达到40000~50000微法·伏/克;70000微法·伏/克钽粉已开始试用,个别厂家已向试制100000微法·伏/克的方向奋进。
除钽粉外,钽箔还用于箔型电容器,钽丝用作电容器阳极引线。2000年钽电容器年产量达到250亿个,年需钽粉800吨、钽丝近150吨。钽电容器由于它在-55~125℃的宽温度范围内电容保持稳定,而为陶瓷电容器所不及。它的高可靠性能兼以紧凑、高效及搁置时间长等特点使钽电容器在电脑、通信系统、飞机、导弹、船舶及武器系统用的仪表与控制系统中的应用经久不衰,成为钽最主要的应用。
2.钽及其合金与应用
钽对间隙元素的容限及合理的弹性模量使它作为合金的基体元素极富吸引力。钽还易于实现惰性气体钨弧焊接(GTA),因此适于制造各种化工设备,发挥它的耐蚀性能。如制造各种热交换器、蛇管、冷凝管、冷却管和插入式加热器等,例如卡伯特公司制造的标准规格为1.2米×3.7米×0.9毫米的钽薄板已通过爆炸连接工艺做成钢、铜和铝的内衬,用此衬钽材料制造大型、相对便宜的化工设备。所谓爆炸连接即通常所说的爆炸成形、爆炸焊接。这是一种利用炸药在极短时间内释放的高能量进行金属连接或加工的方法,可实现基材与覆(盖)层之间大面积焊接或复合,是发挥基材成本相对较低、覆层耐触、耐高温等特殊功能的有效方法。此外,一些在真空下进行的高温化学反应、特种玻璃的熔化也往往在钽坩埚内进行。钽还抗某些液态金属的腐蚀,用于与1375℃的液态钠接触。
钽的合金化或钽基合金的制备通常采用电子束炉进行,为获得成分均匀的铸锭在电子束炉中熔炼净化之后,还要进行真空电弧重熔(VAR)。所有的钽及钽合金产品都用电子束炉熔铸加工,至于是否同时采用真空电弧重熔则视产品用途而定。
钼合金的延脆转变温度最低(-196℃)、低温塑性好、加工硬化系数小、优异的高温强度,是1600-1800℃下工作的理想结构材料。在目前已形成Ta-W和Ta-Nb两个合金系的材料中,多用于制造航空航工业与空间核动力系统的零部件。
3.钽的其他应用及应用分配比例
目前全球钽的年消费量(金属钽>约为900吨。电子工业是钽最大、前景也最乐观的应用领域,估计占总消费量的66%。第二个应用领域是切削刀具工业,占总消费量的22%。钽作为超合金的高温强化添加剂,占消费总量的6%。在化工部门的阀门、热交换器和插入式加热器等化工设备中钽及钽合金的用量占3%。作为生物材料钽与人体体液有极好的相容性,在胸外科使用钽U形钉用于闭合血管和动脉而不会发生过敏性反应,在开颅手术中用于封闭头盖骨的孔洞等医学领域占钽用量的大约1%。其他2%用于军事用途。