金属钽相关材料的性能
金属钽相关材料的性能
1.钽金属(tantalum)的物理性能和特性
钽是稀有高熔点金属。熔点2996℃，密度16.68g/cm3，晶格类型：体心立方。导热系数（25℃）54W/M·K。线膨胀系数（0~100℃）6.5×10-6。钽主要用做制作钽电解电容器，钽合金如Ta—2.5W、Ta—10W、Ta—40Nb 等，比任何别的材料更能经受高温和矿物酸的腐蚀，可作为飞机、导弹、火箭的耐热高强度材料以及控制、调节装置的零部件等。钽在高温真空炉中，可作支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。钽制舟皿可用于真空蒸度装置，钽与人体组织还具有优良的生物相容性和稳定性，对人体组织不起反应，可作为接骨板螺丝、缝合针等外科手术材料。
2.钽元素的化合物(tantalum compound)
氧化物(tantalum oxide)
钽的氧化物最有应用价值的是Ta2O5。Ta2O5 为白色粉末，无味无臭，比重8.71g/cm3，熔点1870℃。具有明显的酸性，不溶于水，也不溶于大多数的酸和碱，但在热的氢氟酸和过氧酸中能缓慢地溶解，与碱共熔时，生成钽酸盐。Ta2O5 具有α、β两种变体，其转变温度为1320℃，不同变体的氧化物，晶体结构不同，故其晶格常数，密度和其它性质都有明显的区别。钽的其它低价氧化物，其性能不稳定。钽的主要低价氧化物TaO2是一种褐色粉末，不溶于酸，在空气中加热时转变成Ta2O5，具有导电性。
卤化物(tantalum halide)
TaCl5 为黄色粉末，熔点220℃，沸点223℃－239℃，比重3.68g/cm3，易挥发，吸湿性强，非常容易水解析出白色的氢氧化物沉淀。除高价的TaCl5 外，钽的低价氯化物有TaCl4、TaCl3、TaCl2，均是易挥发物。TaF5 为白色结晶，熔点91.5℃，沸点229.2℃－233.3℃，比重4.74g/cm3，具有很强的吸湿性，在弱酸溶液中(当HF 浓度低于7%)溶解而不水解。
碳化物(tantalum carbide)
钽的碳化物主要有Ta2C 和TaC 两种，而Ta2C 又有α－Ta2C 和β－Ta2C 两种同素异构体。TaC 为深棕色粉末，熔点3880℃，沸点5500℃，密度14.4g/cm3，具有较好的化学稳定性，仅能溶于硝酸和氢氟酸混合溶液中。钽的碳化物在低于1000～1100℃时，在空气中不易氧化。在氮或氨的作用下，易生成氮化物。
氢化物(tantalum hydride)
在常温的空气中，钽的氢化物非常稳定。在高真空下加热至1000～1200℃时，分解放出氢。在350℃以下，钽与氢几乎不发生作用，随着温度的升高，反应速度加快。氢在钽中的溶解度，随温度增高而降低。在一定温度和压力下，氢化钽中最大氢含量相当于H/Ta 为0.02～0.08(即TaH 0.2～TaH 0.8)。
氮化物(tantalum nitride)
钽的氮化物有TaN、Ta2N、Ta3N5 三种。TaN 为带蓝色的灰色粉末，熔点2980～3090℃，密度14.4g/cm3，不溶于硝酸、氢氟酸和硫酸中，但溶于热的碱性溶液并释放出氨或氮气。钽的氮化物在空气中加热时生成氧化物，放出氮气。
硼化物(tantalum boride)
钽的硼化物有一硼化物TaB 和二硼化物TaB2。TaB 的密度14.0g/cm3，比电阻100.0μΩ.cm；TaB2 的熔点3200℃，密度11.7g/cm3，比电阻86.5μΩ.cm，不被盐酸和王水所侵蚀，但能被热的硫酸和氢氟酸缓慢地分解。
硒化物(tantalum selenate)
钽的硒化物为TaSe2，比电阻2.23×10-3Ω.cm，在室温空气中的相对磨擦系数0.08，在空气中的氧化温度600℃，在真空中的分解温度900℃。
硅化物(tantalum silicone)
钽的主要硅化物是TaSi2，也存在一些其它化合物如Ta2Si、Ta5Si3。TaSi2 熔点2200℃，密度8.83g/cm3，比电阻8.5Ω.cm，不被矿物酸侵蚀，但能被氢氟酸分解，在熔融的Na2CO3 和NaOH 中能完全被分解。
钽酸盐(tantalate)
钽酸盐最重要的是钾盐和钠盐。钾的钽酸盐有K2O:Ta2O5 从3:7 至10:3 的，最常见的稳定钽酸盐有偏钽酸钾(K2O.Ta2O5)；六钽酸钾(4K2O.3Ta2O5)。钾的钽酸正盐易溶于水，但偏盐溶解度较小，KTaO3 在25℃时的溶解度为4.87×10-5mol/L。钽酸钠有Na2O:Ta2O5 为4:3、7:5、1:1、1:3 和2:7 的，如NaTaO3、Na5TaO5、4Na2O.3Ta2O5.25H2O 等。钠盐在水和苛性钠溶液中的溶解度很小，25℃时NaTaO3 盐的溶解度为5.5×10-5mol/L。
钽的有机络合物(tantalum organic complex compound)
钽有机络合物最主要的是单宁酸的化合物，其颜色为柠檬黄色，煮沸后从弱酸性溶液(pH＝3～4)中析出。
钽的醇盐(tantalum alkoxide)
五价的钽醇盐是高挥发性的，这些醇盐可以在6.67～1333Pa 压力下蒸馏而不发生分解。钽醇盐的沸点受链长的影响。
3.钽酸锂晶体(lithium tantalate crystal)
钽酸锂（LiTaO3，简称LT）是一种典型的人工提拉法生长的晶体，属三方晶系，3m 点群，它具有良好的压电、铁电、光电、热释电效应，应用领域广泛，涉及工业、民用、军事等各方面。其压电性能优越，温度漂移小，人们利用这些特性，制作大量的声表面器件，利用其光电效应，制作光电调制器、滤波器；利用热释电效应，制作红外探测器。随着对其研究的不断深入，人们利用它制成了超晶格结构，使其在非线性领域的应用引起广泛的关注，大大拓宽了其应用范围。
4.电容器级钽粉(capacitor grade tantalum powder)
高压低比容钽粉（high voltage-low capacity tantalum powder）
高压低比容钽粉一般是指应用到35V 以上的固体电解电容器并具有4,000μFV/g 以下的比容的钽粉。这种粉一般是采用钽锭氢化制粉工艺和片状化制粉工艺。
高（低）压高（低）比容钽粉（high/ low voltage-low/ high capacity tantalum powder）
高（低）压高（低）比容是指钽粉所制造的电容器应用在某一电压范围里和具有某一比容范围，实际上这没有明确的界限，特别是对于比容高低的概念，根据时间和地域变化很大，如在上世纪70 年代，国内把3,000μFV/g 比容的钽粉称为高比容钽粉，80 年代初把10,000μFV/g 比容的钽粉称为高比容钽粉，而80 年代末则把20,000μFV/g以上的钽粉称为高比容钽粉，现在国内外一般都是把30,000μFV/g以上的钽粉称为高比容钽粉。国外对于钽粉的使用范围较广，例如钠还原粉可以从低压使用到50V，个别甚至更高的电压。
中压高比容钽粉（medial voltage-high capacity tantalum powder）
中压高比容钽粉一般是指应用到25~50V 的固体电解电容器具有5,000~30,000μFV/g 比容的钽粉。这种粉一般为片状钽粉和钠还原钽粉。
低压高比容钽粉（low voltage- high capacity tantalum powder）
低压高比容钽粉一般是指应用到25V 以下的固体电解电容器具有30,000μFV/g 以上比容的钽粉。这种粉一般为钠还原钽粉。近年来正在新开发的氧化钽还原的钽粉。有人宣称这种粉的最高比容达到了200,000μFV/g 甚至更高。
5.电容器级钽丝(capacitor grade tantalum wire)
电容器级钽丝是用于制作钽电解电容器阳极引线的钽丝。其优点是氧化膜介电常数大，可靠性高。与冶金级钽丝相比，电容器级钽丝化学纯度高，表面光洁度好，抗氧脆性好。电容器级钽丝是以钽粉为原料利用粉末冶金方法烧结成钽条后，再经过轧制、拉拔等金属塑性加工手段制成的，表面应光滑、清洁，无沟槽、毛刺等缺陷。电容器级钽丝的重要性能指标包括抗拉强度、直线度、化学成分和漏电流等。电容器级钽丝的直径一般在Φ0.15mm～Φ1.0mm 之间，抗拉强度一般在400Mpa~1700 Mpa 之间。
6.钽靶材(tantalum target)
熔点2996℃,密度16.68g/cm3,导热系数(25℃):54(W/M.K), 钽靶通常用熔炼钽锭加工或粉末冶金加工法制备。钽靶的纯度＞99.95%，表面光滑，晶粒直径＜100μm，晶粒织构主要是［111］型织构。由于钽具有高导电性、高热稳定性和对外来原子的阻挡作用，故用贱射镀膜法在集成电路上镀上钽膜，可防止铜向基体硅中扩散的阻挡层。因而作为电极材料和表面工程材料（BM），钽靶材已经被广泛应用于液晶显示器（LCD）以及耐热耐腐蚀高导电等镀膜工业中。
7.钽陶瓷(tantalum ceramics)
钽陶瓷是由陶瓷相与金属钽粉或Ta2O5 粉末组成的复合材料。陶瓷相是具有高熔点、高硬度、高强度的氧化物或难熔化合物，加入金属钽粉或Ta2O5 粉末后可提高其塑性和导热性，缓冲应力。钽陶瓷可用作宇航材料和硬质合金的添加物。
8.钽基合金(tantalum base alloy)
为了改善金属性能，在金属钽中添加一些难熔金属，以形成钽基合金。用于改善其耐腐蚀性和在高温下保持其高强度和优良的加工性能。包括Ta-W 系列、Ta40Nb、Ta-8W-2Hf、Ta-111、Ta-222、钽铬合金、钽钨铪合金。钽铪合金用于火箭、导弹和喷气发动机的耐热高强度材料，钽拾钨合金熔点30800C，密度16.6g/cm3,且具有高温韧性，耐冲击，可在高温25000C 下使用。
钽是稀有高熔点金属。熔点2996℃，密度16.68g/cm3，晶格类型：体心立方。导热系数（25℃）54W/M·K。线膨胀系数（0~100℃）6.5×10-6。钽主要用做制作钽电解电容器，钽合金如Ta—2.5W、Ta—10W、Ta—40Nb 等，比任何别的材料更能经受高温和矿物酸的腐蚀，可作为飞机、导弹、火箭的耐热高强度材料以及控制、调节装置的零部件等。钽在高温真空炉中，可作支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。钽制舟皿可用于真空蒸度装置，钽与人体组织还具有优良的生物相容性和稳定性，对人体组织不起反应，可作为接骨板螺丝、缝合针等外科手术材料。
2.钽元素的化合物(tantalum compound)
氧化物(tantalum oxide)
钽的氧化物最有应用价值的是Ta2O5。Ta2O5 为白色粉末，无味无臭，比重8.71g/cm3，熔点1870℃。具有明显的酸性，不溶于水，也不溶于大多数的酸和碱，但在热的氢氟酸和过氧酸中能缓慢地溶解，与碱共熔时，生成钽酸盐。Ta2O5 具有α、β两种变体，其转变温度为1320℃，不同变体的氧化物，晶体结构不同，故其晶格常数，密度和其它性质都有明显的区别。钽的其它低价氧化物，其性能不稳定。钽的主要低价氧化物TaO2是一种褐色粉末，不溶于酸，在空气中加热时转变成Ta2O5，具有导电性。
卤化物(tantalum halide)
TaCl5 为黄色粉末，熔点220℃，沸点223℃－239℃，比重3.68g/cm3，易挥发，吸湿性强，非常容易水解析出白色的氢氧化物沉淀。除高价的TaCl5 外，钽的低价氯化物有TaCl4、TaCl3、TaCl2，均是易挥发物。TaF5 为白色结晶，熔点91.5℃，沸点229.2℃－233.3℃，比重4.74g/cm3，具有很强的吸湿性，在弱酸溶液中(当HF 浓度低于7%)溶解而不水解。
碳化物(tantalum carbide)
钽的碳化物主要有Ta2C 和TaC 两种，而Ta2C 又有α－Ta2C 和β－Ta2C 两种同素异构体。TaC 为深棕色粉末，熔点3880℃，沸点5500℃，密度14.4g/cm3，具有较好的化学稳定性，仅能溶于硝酸和氢氟酸混合溶液中。钽的碳化物在低于1000～1100℃时，在空气中不易氧化。在氮或氨的作用下，易生成氮化物。
氢化物(tantalum hydride)
在常温的空气中，钽的氢化物非常稳定。在高真空下加热至1000～1200℃时，分解放出氢。在350℃以下，钽与氢几乎不发生作用，随着温度的升高，反应速度加快。氢在钽中的溶解度，随温度增高而降低。在一定温度和压力下，氢化钽中最大氢含量相当于H/Ta 为0.02～0.08(即TaH 0.2～TaH 0.8)。
氮化物(tantalum nitride)
钽的氮化物有TaN、Ta2N、Ta3N5 三种。TaN 为带蓝色的灰色粉末，熔点2980～3090℃，密度14.4g/cm3，不溶于硝酸、氢氟酸和硫酸中，但溶于热的碱性溶液并释放出氨或氮气。钽的氮化物在空气中加热时生成氧化物，放出氮气。
硼化物(tantalum boride)
钽的硼化物有一硼化物TaB 和二硼化物TaB2。TaB 的密度14.0g/cm3，比电阻100.0μΩ.cm；TaB2 的熔点3200℃，密度11.7g/cm3，比电阻86.5μΩ.cm，不被盐酸和王水所侵蚀，但能被热的硫酸和氢氟酸缓慢地分解。
硒化物(tantalum selenate)
钽的硒化物为TaSe2，比电阻2.23×10-3Ω.cm，在室温空气中的相对磨擦系数0.08，在空气中的氧化温度600℃，在真空中的分解温度900℃。
硅化物(tantalum silicone)
钽的主要硅化物是TaSi2，也存在一些其它化合物如Ta2Si、Ta5Si3。TaSi2 熔点2200℃，密度8.83g/cm3，比电阻8.5Ω.cm，不被矿物酸侵蚀，但能被氢氟酸分解，在熔融的Na2CO3 和NaOH 中能完全被分解。
钽酸盐(tantalate)
钽酸盐最重要的是钾盐和钠盐。钾的钽酸盐有K2O:Ta2O5 从3:7 至10:3 的，最常见的稳定钽酸盐有偏钽酸钾(K2O.Ta2O5)；六钽酸钾(4K2O.3Ta2O5)。钾的钽酸正盐易溶于水，但偏盐溶解度较小，KTaO3 在25℃时的溶解度为4.87×10-5mol/L。钽酸钠有Na2O:Ta2O5 为4:3、7:5、1:1、1:3 和2:7 的，如NaTaO3、Na5TaO5、4Na2O.3Ta2O5.25H2O 等。钠盐在水和苛性钠溶液中的溶解度很小，25℃时NaTaO3 盐的溶解度为5.5×10-5mol/L。
钽的有机络合物(tantalum organic complex compound)
钽有机络合物最主要的是单宁酸的化合物，其颜色为柠檬黄色，煮沸后从弱酸性溶液(pH＝3～4)中析出。
钽的醇盐(tantalum alkoxide)
五价的钽醇盐是高挥发性的，这些醇盐可以在6.67～1333Pa 压力下蒸馏而不发生分解。钽醇盐的沸点受链长的影响。
3.钽酸锂晶体(lithium tantalate crystal)
钽酸锂（LiTaO3，简称LT）是一种典型的人工提拉法生长的晶体，属三方晶系，3m 点群，它具有良好的压电、铁电、光电、热释电效应，应用领域广泛，涉及工业、民用、军事等各方面。其压电性能优越，温度漂移小，人们利用这些特性，制作大量的声表面器件，利用其光电效应，制作光电调制器、滤波器；利用热释电效应，制作红外探测器。随着对其研究的不断深入，人们利用它制成了超晶格结构，使其在非线性领域的应用引起广泛的关注，大大拓宽了其应用范围。
4.电容器级钽粉(capacitor grade tantalum powder)
高压低比容钽粉（high voltage-low capacity tantalum powder）
高压低比容钽粉一般是指应用到35V 以上的固体电解电容器并具有4,000μFV/g 以下的比容的钽粉。这种粉一般是采用钽锭氢化制粉工艺和片状化制粉工艺。
高（低）压高（低）比容钽粉（high/ low voltage-low/ high capacity tantalum powder）
高（低）压高（低）比容是指钽粉所制造的电容器应用在某一电压范围里和具有某一比容范围，实际上这没有明确的界限，特别是对于比容高低的概念，根据时间和地域变化很大，如在上世纪70 年代，国内把3,000μFV/g 比容的钽粉称为高比容钽粉，80 年代初把10,000μFV/g 比容的钽粉称为高比容钽粉，而80 年代末则把20,000μFV/g以上的钽粉称为高比容钽粉，现在国内外一般都是把30,000μFV/g以上的钽粉称为高比容钽粉。国外对于钽粉的使用范围较广，例如钠还原粉可以从低压使用到50V，个别甚至更高的电压。
中压高比容钽粉（medial voltage-high capacity tantalum powder）
中压高比容钽粉一般是指应用到25~50V 的固体电解电容器具有5,000~30,000μFV/g 比容的钽粉。这种粉一般为片状钽粉和钠还原钽粉。
低压高比容钽粉（low voltage- high capacity tantalum powder）
低压高比容钽粉一般是指应用到25V 以下的固体电解电容器具有30,000μFV/g 以上比容的钽粉。这种粉一般为钠还原钽粉。近年来正在新开发的氧化钽还原的钽粉。有人宣称这种粉的最高比容达到了200,000μFV/g 甚至更高。
5.电容器级钽丝(capacitor grade tantalum wire)
电容器级钽丝是用于制作钽电解电容器阳极引线的钽丝。其优点是氧化膜介电常数大，可靠性高。与冶金级钽丝相比，电容器级钽丝化学纯度高，表面光洁度好，抗氧脆性好。电容器级钽丝是以钽粉为原料利用粉末冶金方法烧结成钽条后，再经过轧制、拉拔等金属塑性加工手段制成的，表面应光滑、清洁，无沟槽、毛刺等缺陷。电容器级钽丝的重要性能指标包括抗拉强度、直线度、化学成分和漏电流等。电容器级钽丝的直径一般在Φ0.15mm～Φ1.0mm 之间，抗拉强度一般在400Mpa~1700 Mpa 之间。
6.钽靶材(tantalum target)
熔点2996℃,密度16.68g/cm3,导热系数(25℃):54(W/M.K), 钽靶通常用熔炼钽锭加工或粉末冶金加工法制备。钽靶的纯度＞99.95%，表面光滑，晶粒直径＜100μm，晶粒织构主要是［111］型织构。由于钽具有高导电性、高热稳定性和对外来原子的阻挡作用，故用贱射镀膜法在集成电路上镀上钽膜，可防止铜向基体硅中扩散的阻挡层。因而作为电极材料和表面工程材料（BM），钽靶材已经被广泛应用于液晶显示器（LCD）以及耐热耐腐蚀高导电等镀膜工业中。
7.钽陶瓷(tantalum ceramics)
钽陶瓷是由陶瓷相与金属钽粉或Ta2O5 粉末组成的复合材料。陶瓷相是具有高熔点、高硬度、高强度的氧化物或难熔化合物，加入金属钽粉或Ta2O5 粉末后可提高其塑性和导热性，缓冲应力。钽陶瓷可用作宇航材料和硬质合金的添加物。
8.钽基合金(tantalum base alloy)
为了改善金属性能，在金属钽中添加一些难熔金属，以形成钽基合金。用于改善其耐腐蚀性和在高温下保持其高强度和优良的加工性能。包括Ta-W 系列、Ta40Nb、Ta-8W-2Hf、Ta-111、Ta-222、钽铬合金、钽钨铪合金。钽铪合金用于火箭、导弹和喷气发动机的耐热高强度材料，钽拾钨合金熔点30800C，密度16.6g/cm3,且具有高温韧性，耐冲击，可在高温25000C 下使用。