Физические свойства. Химические свойства тантала Кристаллическая решетка тантала

Тантал — «умный металл»

Тантал, свойства и характеристики которого оказались поистине уникальными, в наше время получил название «умный металл».

Немного истории

Тантал был открыт в 1802 г. Шведский химик А.Г. Экеберг изучал найденные минералы и обнаружил, что в них находится неизвестный в то время элемент, но выделить его в чистом виде он не смог. Неизвестный металл был назван в честь древнегреческого мифологического героя Тантала. На протяжении 4-х десятилетий химики ошибочно считали, что тантал и известный к тому времени ниобий - это один и тот же химический элемент. Получить его в чистом виде удалось немецким химикам в 1903 г, а в промышленных целях он начал активно использоваться в годы Второй мировой войны.

Описание и свойства тантала

В периодической таблице этот металл занимает 73-ю позицию, обозначается Ta.

При нормальных условиях имеет серебристый цвет, внешне похож на серебро и некоторые другие благородные металлы. За счет окисления в воздухе покрывается оксидной пленкой, темнеет, становится более похожим на свинец. При комнатной температуре окисление протекает очень медленно, поэтому металл долго сохраняет свой характерный цвет. Активное окисление в воздухе начинается при температуре выше 280°С.

С галогенами металл вступает в реакции при низких температурах, но сразу покрывается поверхностной пленкой, которая защищает его от дальнейших реакций по всему объему.

Температура плавления относительно высокая, составляет 3017°С. Она намного выше, чем у многих металлов. Для сравнения:

• свинец — 327°С;
• алюминий — 660°С;
• латунь - до 1000°С;
• золото — 1064°С;
• медь — 1083°С;
• железо — 1540°С.

Благодаря высочайшей прочности металла тантала, его используют во многих отраслях производства

Среди материалов, широко используемых в промышленности, по температуре плавления тантал уступает вольфраму, у которого эта величина равна 3420°С.

Плотность тантала равна 16700 кг/м3, этот металл намного плотнее, чем распространенные железо и медь, у которых она равна соответственно 7870 и 8940 кг/м3. По плотности его можно сравнить с золотом, плотностью которого 19320 кг/м3. Тантал обладает высокой твердостью. Несмотря на свойства, это очень пластичный металл. Материал можно раскатать до толщины 1 мкм. Такой пластичностью обладает только золото.

Прокат материала проводится без нагревания, что значительно упрощает его обработку. Механическую прочность можно повысить наклепом. При температуре ниже — 196°С свойство пластичности исчезает, металл становится хрупким.

По магнитным свойствам тантал относят к парамагнетикам. Свойства парамагнетика хорошо проявляются при температурах ниже 3420°С, затем металл становится ферромагнетиком.

Тантал обладает высочайшей устойчивостью к агрессивным действиям среды. Его не разрушает азотная кислота с концентрацией 70%. На него не действует серная кислота, нагретая до 150°С, но при повышении температуры кислоты до 200°С начинается медленное разрушение металла.

Такая антикоррозийная стойкость металла, превышающая стойкость нержавеющей стали, сделала его незаменимым в целом ряде производственных процессов.

Для выделения драгоценных металлов из растворов и расплавов их солей применяется электролиз. Но катоды, на которые осаждаются благородные металлы, при этом быстро разрушаются. Замена катодов, изготовленных из обычных металлов, на танталовые сделала процесс электролиза намного эффективнее и дешевле. Этот способ применяется и для выделения из руд редкоземельных элементов.

Тантал обладает высокой биологической совместимостью, поэтому получил широкое применение в медицине. Протезы и имплантаты из него не оказывают химического воздействия на организмы, не окисляются, поэтому организмом не отторгаются.

К хорошим проводникам электрического тока тантал отнести нельзя, его удельное сопротивление при 20°С составляет 0,13 Ом*мм²/м, оно больше, чем у железа (0,1 Ом*мм²/м). Но он обладает относительно высокой температурой перехода в состояние сверхпроводимости, она равна 4,5К. При более высокой температуре в состояние сверхпроводимости переходят ванадий (5,3К), свинец (7,2К) и его «близнец» ниобий (9,2К). Это свойство тантала сделало его востребованным в производстве сверхпроводников криотонов, используемых в электронно-вычислительной технике. В радиоэлектронике используются конденсаторы с танталовыми обкладками. Они оказались самыми эффективными, но работать могут при небольших значениях напряжения.

В военной промышленности сплавы тантала используются для увеличения пробивной способности снарядов.

В научных и военных целях радиоактивные изотопы используются для создания источников гамма-излучения. Радиоактивные изотопы входят в состав ископаемых, но в гораздо большей концентрации они содержатся в отходах, остающихся после работы ядерных реакторов.

Тантал применяется при строительстве защиты ядерных реакторов, так как это один из немногих элементов, не разрушающихся от действия паров цезия.

На поверхности режущего инструмента для придания ему особой прочности наносится карбид тантала. Такой инструмент используется для резки и сверления особо прочных материалов, при бурении глубинных скважин в твердых породах.

Тантал благодаря высочайшей прочности, устойчивости к окислению и высокой температуре плавления используется в производстве авиационных и ракетных двигателей.

Детали, изготовленные из тантала, в агрессивных средах служат на десятки лет дольше, чем изготовленные из других материалов с высокой коррозийной стойкостью.

Все физические характеристики материала можно изменять, внося в него легирующие добавки.

Добыча тантала

Благодаря изыскательским работам были найдены новые месторождения металла тантал

В земной коре тантала содержится около 0,0002%, поэтому он относится к редким элементам. Но практически во всех странах имеются месторождения его соединений. В Европе самые большие и богатые месторождения находятся во Франции, небольшие месторождения есть в большинстве стран бывшего СССР. Среди африканских стран самыми большими запасами сырья обладает Египет. Но самые крупные и богатые месторождения, известные и разработанные на сегодняшний день располагаются в Австралии.

Встречается элемент в виде собственных солей, или он входит в состав других минералов. Во втором случае ему обязательно сопутствует ниобий. Минералы могут быть стабильными и радиоактивными.

Добыча этого металла составляет 420 тонн в год. Лидирующие государства по добыче и переработке - США и ФРГ.

Из-за мирового кризиса спрос на тантал несколько снизился, но с 2010 г. опять возрос. В последнее время проводятся активные изыскательские работы. Благодаря им были открыты новые месторождения в США, Бразилии, ЮАР.

Тантал – особый вид металла, который относиться к группе благородных. Был открыт в далеком 1802 году, но считается молодым элементом. Несмотря на свою редкость, он широко используется не только в ювелирном деле, но и в промышленности. Особенно часто встречается в электронике — практически каждое устройство содержит его в составе.

Массовое использование этого металла началось в 40-х годах прошлого века и продолжается до сих пор. Свою популярность он обрел благодаря повышенным прочностным свойствам. При этом он имеет множество уникальных физических и химических свойств.

Физические и химические свойства

Среди физических свойств этого металла следует выделить высокую температуру плавления, которая составляет 3017 градусов Цельсия, что выделяет его среди многих аналогов. Благодаря этому его используют в тех сферах, где необходима повышенная устойчивость к экстремальным условиям. При этом к характеристикам тантала стоит отнести пластичность и твердость, сочетание которых довольно редко встречается в природе.

Температура плавления тантала 3017 °C.

Вышеупомянутые свойства тантала позволяют обрабатывать металл без особых усилий, создавать необходимые формы и размеры. Особое строение атома очень важно для создания деталей и механизмов конструкций повышенной ответственности. Тантал хорошо поддается ковке и прокату. При этом можно также успешно использовать метод холодной деформации. Следует выделить высокую теплопроводность.

Благодаря высокой плотности металл можно использовать для производства мелких шестеренок, деталей электроприборов, которые устойчивы к износу и не подвергаются разрушению после длительного периода использования.

В некоторых случаях его используют как поглотитель газа. Следует выделить электронную конфигурацию: металл имеет различные свойства электропроводности в обычном состоянии и при высоких температурах.

Соединение танталовых деталей можно проводить с помощью пайки, сварки или клепочным методом. Наиболее часто используют метод сваривания, так как качество сварного шва отличается высокой прочностью и стойкостью к физическому напряжению.

Среди химических свойств стоит выделить высокую устойчивость к окислению и воздействию щелочи. Однако, при расплавлении он частично подвержен воздействию щелочи. Окисление невозможно при температуре менее 250 градусов.

Химическими свойствами этот металл очень похож на стекло. Его практически невозможно растворить в кислоте, если не использовать плавиковую и азотную. Даже воздействие серной кислоты не влияет на структуру и форму металла. Возможно лишь появление небольшой пленки на поверхности. Также он не подвержен разрушению при длительном воздействии морской водой.

Нахождение в природе и производство тантала

Тантал, как химический элемент, очень редко встречается в природе, составляет всего 0,0002% от земной коры. Очень редко встречается в чистом виде, чаще всего в составе различных минералов, в соседстве с другим металлом – ниобием.

Месторождения этого элемента встречаются в многих странах. Большие месторождения встречаются во Франции, Египте, Китае и Таиланде. Но наибольшие залежи этого элемента находятся в Австралии. Тантал добывается в размерах более чем 400 тонн ежегодно. При этом потребность в его использовании постоянно растет, что связано с увеличением объема производимой электротехники с использованием данного метала. Исходя из этого, наблюдается постоянная разработка новых месторождений.

В нашей стране производство тантала сосредоточено на Соликамском магниевом заводе. Металл получают после переработки лопаритовых концентратов. В других странах используют также другие минералы, такие как рутил, стрюверит, танталит и колумбит.

Крупнейшими производителями этого металла в мире являются США, Япония и Китай. Количество мировых производителей не превышает 40 фирм. Стоимость — от 1000 долларов за кг.

Сплавы на основе тантала

Благодаря особым физическим свойствам данный металл в чистом виде очень часто используется в промышленности. Однако для повышения прочности и устойчивость к высоким температурам могут использоваться сплавы на его основе, добавляться соответствующие легирующие компоненты.

Сплавы тантала могут сохранять твердое состояние при температуре около 1700 градусов. Это необходимо при использовании соединений тантала в энергетической сфере, химической промышленности, производстве приборов повышенной точности и металлургии. Очень часто различные сплавы используются при строении космических ракет.

Тип используемых легирующих компонентов зависит от требуемых конечных свойств. Для повышения качества работ используют элементы, придающие сплаву улучшенные свойства пластичности.

Следует отметить, что очень часто тантал в сплавах используется не как основа, а как легирующий компонент. Его добавление к различным материалам позволяет добиться повышенной устойчивости к высоким температурам и коррозии.

Схема танталового конденсатора

Тантал ТАВ-10 – широко используемый сплав на основе этого металла. Его производят с добавлением вольфрама, количество которого в составе около 10%. Благодаря этому получается материал с улучшенными показателями жаропрочности. Его применяют для производства нагревательных элементов и в медицинских целях, так как его компоненты не раздражают кожный покров человека.

Применение тантала

Применение тантала не ограничивается одной сферой. Следует выделить сферы, в которых наиболее широко используются изделия из тантала:

1. Металлургия. Практически половина этого металла используется в металлургической промышленности. Это связано с тем, что его легко использовать для создания различных сплавов, особенно антикоррозийных марок стали, устойчивых к высоким температурам. Проволоку из тантала используют в различных сферах, где требуется повышенная прочность и жаростойкость. Также широко используется карбид тантала при производстве тиглей для тугоплавких металлов.
2. Электротехника. Около 25% применяет при производстве электротехники и электроприборов. Конденсаторы с использованием этого элемента отличаются повышенной стабильностью функционирования. Причем в случае разрушения поверхности конденсатора, образуется пленка из оксида тантала, которая защищает его. Также следует выделить такие элементы, как аноды, катоды, лампы и другие металлические детали, которые также производятся на его основе.
3. Химическая промышленность. Пятая часть производимого объема применяется в химической отрасли. Это связано с тем, что он устойчив к воздействию большинства кислот, солей и щелочей.
4. Медицина. Тантал в медицине применяется в таких отраслях, как костная и пластическая хирургия. Элементами из этого материала скрепляют кости для достижения повышенной прочности без раздражения органической ткани.
5. Военная сфера. В военной сфере производят мишени из тантала и оболочку кумулятивных снарядов.
6. Приборостроение. Этот метал применяется для производства точных приборов, контрольного оборудования и различных диафрагм, а также вакуумных приборов, так как он отличается свойством поглощения газов.
7. Ядерная энергетика. В этой сфере металл выступает в качестве теплообменника.

Следует отметить, что сфера применения тантала ограничивается лишь малым объемом его добычи. Если объем добычи вырастет, область применения значительно расширится.

Тантал - химический элемент с зарядом ядра 73, при обычных условиях - металл серого цвета.

В природе встречается в виде двух изотопов: стабильного 181 Та (99,9877 %) и радиоактивного с периодом полураспада 10 12 лет 180 Та (0,0123 %).

Известно около 20 собственно минералов тантала - серия колумбит - танталит, воджинит, лопарит, манганотанталит и другие. и более 60 минералов, содержащих тантал. Все они связаны с эндогенным минералообразованием. В минералах тантал всегда находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Тантал - типично рассеянный элемент, так как изоморфен со многими химическими элементами. Месторождения тантала приурочены к гранитным пегматитам, карбонатитам и щелочным расслоенным интрузиям.

• в земной коре 2,4·10 −4 %
• в ультраосновных породах 1·10 −6 %
• в основных породах 4,8·10 −5 %
• в кислых породах 3,5·10 −4 %
• в полукислых породах 7·10 −4 %

Физические свойства тантала

Обладает высокой температурой плавления (3015°С), цвет в чистом виде серо-стальной, плотность 16,6, несмотря на твёрдость пластичен, как золото.

При обычной температуре тантал устойчив на воздухе. Начало окисления наблюдается при нагревании до 200 - 300°С. Выше 500° происходит быстрое окисление с образованием окисла Ta 2 O 5 .

Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 Å); атомный радиус 1,46 Å, ионные радиусы Та 2+ 0,88 Å, Та 5+ 0,66 Å; плотность 16,6 г/см 3 при 20 °С; t пл 2996 °С; Т кип 5300 °С; удельная теплоемкость при 0-100°С 0,142 кдж/(кг·К) ; теплопроводность при 20-100 °С 54,47 Вт/(м·К) . Температурный коэффициент линейного расширения 8,0·10 -6 (20-1500 °С); удельное электросопротивление при 0 °С 13,2·10 -8 ом·м, при 2000 °С 87·10 -8 ом·м. При 4,38 К становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10 -6 (18 °С). Чистый Тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Модуль упругости Тантала 190 Гн/м 2 (190·10 2 кгс/мм 2) при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожженного Тантала высокой чистоты 206 Мн/м 2 (20,6 кгс/мм 2) при 27 °С и 190 Мн/м 2 (19 кгс/мм 2) при 490 °С; относительное удлинение 36% (27 °С) и 20% (490 °С). Твердость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Тантала 500 Мн/м 2 (50 кгс/мм 2). Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.

При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C, покрываясь защитной плёнкой Ta 2 O 5 ; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C. При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, Н 2 О, СО, СО 2 , NO, HCl, H 2 S.

Химически чистый тантал исключительно устойчив к действию жидких щелочных металлов, большинства неорганических и органических кислот, а также многих других агрессивных сред (за исключением расплавленных щелочей).

В отношении химической устойчивости к реагентам, тантал подобен стеклу. Тантал нерастворим в кислотах и их смесях, его не растворяет даже царская водка. Растворим только в смеси плавиковой и азотной кислот. Реакция с плавиковой кислотой идет только с пылью металла и сопровождается взрывом. Очень устойчив к воздействию серной кислоты любой концентрации и температуры, устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и перегретых парах их - (литий, натрий, калий, рубидий, цезий-133).

Характерное свойство тантала - способность поглощать газы: водород, азот и кислород. Небольшие примеси этих элементов сильно влияют на механические и электрические свойства металла. При низкой температуре водород поглощается медленно, при температуре примерно 500°С водород поглощается с максимальной скоростью, причём происходит не только адсорбция, но и образуются химические соединения - гидриды (ТаН). Поглощённый водород придаёт металлу хрупкость, но при нагревании в вакууме выше 600°С почти весь водород выделяется и прежние механические свойства восстанавливаются.

Тантал поглощает азот уже при 600°С, при более высокой температуре образуется нитрид TaN, который плавится при 3087°С.

Углерод и углеродсодержащие газы (СН 4 , СО) при высокой температуре в 1200 - 1400°С взаимодействуют с металлом с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида ТаС (плавится при 3880°С).

С бором и кремнием тантал образует тугоплавкий и твёрдый борид и силицид: ТаВ 2 (плавится при 3000°С) и NaSi 2 (плавится при 3500°С).

Тантал устойчив против действия соляной, серной, азотной, фосфорной и органических кислот любой концентрации на холоду и при 100 - 150°С. По стойкости в горячих соляной и серной кислотах тантал превосходит ниобий. Тантал растворяется в плавиковой кислоте и особенно интенсивно - в смеси плавиковой и азотной кислот.

Менее устойчив тантал в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедают металл, в расплавленных щелочах и соде он быстро окисляется с образованием натриевой соли танталовой кислоты.

Основным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та 2 О 5 , 60 % и более Nb 2 O 5 . Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделение Та и Nb производят с помощью экстракции. Металлический тантал обычно получают восстановлением Ta 2 O 5 углеродом, либо электрохимически из расплавов. Компактный металл производят вакуумно дуговой, плазменной плавкой или методом порошковой металлургии.

Крупнейшее мировое месторождение танталовых руд Гринбушес расположено в Австралии в штате Западная Австралия в 250 км к югу от Перта.

Применение тантала

Первоначально использовался для изготовления проволоки для ламп накаливания.

Тантал впервые был применён в 1900 - 1903 гг. для изготовления нитей накаливания в электролампах, но позже, в 1909 - 1910 гг., его заменили вольфрамом.

Широкое применение тантала было связано с развитием электровакуумной техники, к которой относится производство радиотехнической, радиолокационной и рентгеновской аппаратуры.

Тантал обладает сочетанием ценных свойств (высокой температурой плавления, высокой эмиссионной способностью и способностью поглощать газы), позволяющих применять его для изготовления деталей электровакуумной аппаратуры. Способность поглощать газы используется для поддержания глубокого вакуума в радиолампах и других электровакуумных приборах.

Из танталовых листов и штабиков изготовляют «горячую арматуру» (нагреваемые детали) - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие детали электронных ламп, особенно мощных генераторных ламп.

Кроме чистых металлов для тех же целей применяют танталониобиевые сплавы.

В конце 50-х - начале 60-х годов важное значение приобрело применение тантала для изготовления электролитических конденсаторов и выпрямителей тока. Здесь использована способность тантала к образованию устойчивой окисной плёнки при анодном окислении. Окисная плёнка устойчива в кислых электролитах и пропускает ток только в направлении от электролита к металлу. Удельное электросопротивление плёнки Та 2 О 5 в направлении, не проводящем ток, очень высокое (7, 5 . 10 12 ом. см), диэлектрическая постоянная плёнки 11, 6.

Танталовые конденсаторы с твёрдым электролитом отличаются высокой ёмкостью при малых размерах, высоким сопротивлением изоляции (в 2 - 3 раза выше, чем у алюминиевых конденсаторов), стойкостью плёнки. Положительная обкладка у этих конденсаторов выполнена в виде таблетки, спрессованной из танталового порошка и спечённой в нейтральной среде при высокой температуре. Эффективная поверхность такой пористой таблетки в 50 - 100 раз больше, чем геометрическая, что позволяет получить очень малые габаритные размеры конденсатора при относительно большой ёмкости его. Положительная обкладка помещается в корпус, заполненный электролитом, служащим отрицательной обкладкой, соединённой с корпусом. Выпускались конденсаторы типа ЭТО четырёх видов: ЭТО-1 (ЭТО-С), ЭТО-2, ЭТО-3, ЭТО-4. Конденсаторы вида ЭТО-1, предназначенные для использования в аппаратуре особо ответственного назначения, обозначаются ЭТО-С. Также существуют конденсаторы типа ЭТ и ЭТН: электролитические танталовые и электролитические танталовые неполярные. Конденсаторы можно применять в широком интервале температур от -80 до +200°С. Танталовые конденсаторы широко используют в радиостанциях, различной военной аппаратуре и других приборах.

Коррозионная стойкость тантала в кислотах и других средах, в сочетании с высокой теплопроводностью и пластичностью делает его ценным конструкционным материалом для аппаратуры в химических и металлургических производствах. Тантал служит материалом фильер (взамен платины) для формирования волокон в производстве искусственного шёлка.

Тантал входит в состав различных жаропрочных сплавов для газовых турбин реактивных двигателей. Легирование танталом молибдена, титана, циркония, алюминия и меди резко улучшает свойства этих металлов, а также их сплавов.

Карбиды тантала входят в состав некоторых марок металлокерамических твёрдых сплавов на основе карбида вольфрама, используемых для резания сталей. Тантал используется как легирующая добавка в сталях. Также тантал входит в состав различных жаропрочных сталей (например, для газовых турбин), в состав инструментальных и магнитных сталей.

Тантал в виде проволоки и листов применяют в медицине - в костной и пластической хирургии (скрепление костей, «заплатки» при повреждении черепа, наложение швов и т.д.). Металл совершенно не раздражает живую ткань и не вредит жизнедеятельности организма.

В органическом синтезе применяют некоторые соединения тантала (фтористые комплексные соли, окислы) как катализаторы.

Сегодня из тантала и его сплавов изготовляют:

• жаропрочные и коррозионностойкие сплавы;
• коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильеры, лабораторную посуду и тигли для получения, плавки, и литья редкоземельных элементов, а так же иттрия и скандия;
• теплообменники для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия-133);
• в хирургии листы, фольгу и проволоку из тантала используют для скрепления тканей, нервов, наложения швов, изготовления протезов, заменяющих повреждённые части костей (ввиду биологической совместимости);
• карбид тантала (температура плавления 3880 °С) применяется в производстве твёрдых сплавов (смеси карбидов вольфрама и тантала - марки с индексом ТТ, для тяжелейших условий металлообработки и ударно поворотного бурения крепчайших материалов (камень, композиты);
• в производстве боеприпасов тантал применяется для изготовления металлической облицовки перспективных кумулятивных зарядов улучшающей бронепробиваемость;
• тантал и ниобий используют для производства электролитических конденсаторов высокой удельной емкости (но тантал позволяет производить более качественные конденсаторы);
• тантал используется в последние годы в качестве ювелирного металла, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные пленки оксида любого цвета;
• тантал-182 используется в ядерно-физических лабораториях МВД.
• ядерный изомер тантал-180m2, накапливающийся в конструкционных материалах атомных реакторов, может наряду с гафнием-178m2 служить источником гамма-лучей и энергии при разработке оружия и специальных транспортных средств.

Бериллид тантала чрезвычайно тверд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике.

Пятиокись тантала используется в атомной технике для варки стекла поглощающего гамма-излучение. Один из наиболее широко применяемых составов такого стекла: кремния двуокись - 2%, монооксид свинца (глет) - 82%, оксид бора - 14%, пятиокись тантала - 2%.

Тантал занимает особое место в группе известных химических элементов. Данный металл не относится к благородным, однако эксплуатационные качества делают его востребованным в самых разных сферах. Причем это касается не только строительных и производственных отраслей, но и ювелирного искусства. На сегодняшний день само применение тантала весьма ограничено в силу его редкости. И все же на рынке представлен широкий ассортимент изделий из этого материала.

Общие сведения о металле

В природе не существует тантала в чистом виде. Обычно его добывают вместе с другими минералами, схожими с ним по характеристикам. Эта особенность элемента и обусловила его довольно позднее открытие. Но в наши дни существуют эффективные способы выделения тантала, одним из которых является экстракционный метод. Специально для получения металлического материала применяется также электролиз. С помощью графитового тигля основу с содержанием элемента расплавляют, после чего на стенках емкости остается порошок. Дальнейшая технология обработки исходного сырья зависит от того, каким будет применение тантала: ему можно придавать вид слитка, проволоки, листа, детали определенной формы или же оставить в форме смеси для распыления. Популярны и технологии формирования сплавов из порошка тантала. Комбинация с легирующими веществами позволяет усилить отдельные свойства материала.

Физические свойства

Металл отличается повышенной температурой плавления порядка 3017 °C, что позволяет его использовать в экстремальных термических условиях на производствах. В то же время он обладает редкой комбинацией свойств пластичности и твердости. Что касается первого, то он мягкий как золото. При этом твердость тантала составляет 16,65 г/см 3 . Такое сочетание физических качеств позволяет с легкостью обрабатывать материал, придавая ему разные формы и размеры, а также использовать в ответственных механизмах и конструкциях. Мелкие элементы хорошо себя проявляются в качестве шестеренок и деталей электроприборов. Тантал стоек к износу и долговечен, поэтому из него делают расходные компоненты с расчетом на длительную эксплуатацию. Кроме того, этот металл может выступать эффективным поглотителем газа. При высоких температурах у деталей из тантала также раскрываются высокие токопроводящие свойства.

Химические свойства

В чистом виде металл эффективно противостоит воздействию щелочей, органических и неорганических кислотных веществ, а также влиянию других активных сред. Разве что в расплавленном виде щелочи оказывают на тантал заметное воздействие. Процессы окисления происходят при температурном режиме не ниже 280 °C, а с галогенными компонентами он вступает в реакцию при 250 °C. Химические свойства тантала в контактах с реагентами можно сравнить со стеклом. Он не растворяется в кислотных средах за исключением азотной и плавиковой. Проявляет стойкость данный материал и к серной кислоте независимо от ее концентрации. Однако процессы активности в большинстве случаев оказывают несущественное влияние на структуру металла. Обычно изменения проявляются или в форме покрытия пленкой, или в виде корродирования.

Где применяется тантал?

Данный металл не является массовым, но сфер его использования очень много. В первую очередь это промышленность. Элемент задействуется в металлургии, в пищевом секторе, в обрабатывающих отраслях, радиотехнике, машиностроении и т. д. В строительной сфере этот металл не так востребован именно из-за ограниченности объемов добычи, но отдельные элементы конструкций все же выполняются из этого материала - как правило, метизы, предназначенные для ответственных задач усиления конструкций. Чтобы понять, где используется тантал, важно обращать внимание и на его эксплуатационные свойства. Уже отмечалось, что он может выступать неплохим проводником. Поэтому его используют в качестве сверхпроводника в электротехнике. С другой стороны, жаропрочность открывает возможности для его применения в термической обработке других металлов. Благодаря повышенной плотности тантал стал оптимальным решением и в оборонной промышленности. Из него делают снаряды, обладающие высокой пробивной мощностью.

Проволока из тантала

Металлопрокат в целом является наиболее обширной формой представления данного материала на рынке. Существенную нишу в сегменте занимает проволока. Она необычна тем, что благодаря скромным размерам может использоваться как нить. Это объясняет ценность тантала для медицинской сферы - изделия такого рода применяются для накладывания швов и повязок. Но это лишь пример, демонстрирующий одно из отличительных качеств такой проволоки. Более крупные форматы применяются в машино-, авиа-, станкостроении и капитальном строительстве. Причем в зависимости от назначения может использоваться мягкий и твердый металл. Тантал, благодаря податливости с точки зрения обработки, позволяет выпускать длинную проволоку от 1500 см при толщине от 0,15 мм и более. На готовых изделиях, как отмечают пользователи, редко встречаются заусенцы, трещины и прочие дефекты. Однако тонкая структура все же накладывает требования на условия хранения и транспортировки - в частности, проволоку не рекомендуется подвергать контактам с влагой и агрессивными средами.

Лента из тантала

Этот формат выпуска металлопроката также имеет широкое распространение. Ленты применяются в той же медицине, в нефтяной промышленности, машиностроении и даже в энергетической отрасли. Потребители ценят этот продукт за биосовместимость, высокую прочность при тонкой структуре, хорошую обрабатываемость и стойкость к процессам коррозии. Если сравнивать подобные изделия из тантала с аналогами из стали или алюминия, то на первый план выйдет износостойкость и долговечность. Лента способна выдерживать большие нагрузки на разрыв и химические воздействия. С другой стороны, высокая пластичность не позволяет таким изделиям стабильно поддерживать определенную форму. Даже незначительное давление приводит к деформации.

Сплавы на основе тантала

Модифицированные легирующими компонентами сплавы преимущественно обретают более высокие качества физической прочности и жаростойкости. Достаточно сказать, что среднее по характеристикам изделие сможет выдерживать температурные воздействия в режиме 1650 °С, не утрачивая своих эксплуатационных качеств. Собственно, это и позволяет применять сплавы тантала в химической промышленности, энергетике, металлургии и приборостроении. Более того, некоторые предприятия используют данный материал в изготовлении элементов для ракетно-космической сферы. В зависимости от направления использования, технологи разрабатывают разные составы для легирования тантала. В одних случаях модификация позволяет добиться более высокой пластичности, а в других, к примеру, сделать материал пригодным для выполнения сварочных операций электронно-лучевым методом. Также и сам тантал может выступать в качестве легирующего компонента. Обычно такой способ улучшения эксплуатационных свойств используют для придания основным металлам антикоррозийности и жаропрочности.

Тантал в радиотехнике

В сферах производства электротехнических устройств и деталей на первый план выходит возможность сохранения оптимальной токопроводности и поддержание частотных сигналов при сокращении размеров элементной базы. По этой причине тантал часто используется в изготовлении конденсаторов, тиристоров, транзисторов и семисторов. Прежде для тех же конденсаторов применялись рулоны листового алюминия. Это решение предполагало возможность повышения эксплуатационных параметров только в случае увеличения размеров самой детали. И это не говоря об обратном понижении других характеристик, связанных с наращиванием объема конденсатора. Увеличить электрический объем при сохранении размеров детали позволило применение тантала, который также отличается стойкостью к негативным процессам, в которых участвуют радиоэлектронные компоненты. Другое дело, что и алюминий не выходит из строя в этой области, поскольку он доступнее по цене.

Заключение

Этот металл вовсе не обладает уникальными или нестандартными свойствами. У него немало привлекательных качеств, среди которых та же антикоррозийность, твердость или жаростойкость. Но эти характеристики по отдельности присутствуют и в других металлах. Причем в некоторых они выражены гораздо сильнее. Однако сочетание, на первый взгляд, противоположных свойств в одном элементе действительно является уникальным. Технологи стремятся достигать особых комбинаций в рабочих качествах материалов искусственными способами, а в данном случае они обуславливаются природой происхождения. Например, применение тантала в медицине и в металлургии ставит целью совершенно разные задачи. В одном случае ценится высокая прочность при небольших размерах изделия, а во втором - податливость в обработке. Но есть и негативное свойство тантала, которое распространяется на все сферы его использования, - это высокая стоимость, а в некоторых случаях и физическая недоступность.

Открытие тантала состоялось в 1802 году, однако для получения первого образца чистого металла понадобилось еще 100 лет. Нахождение этого редкого элемента в земной коре крайне незначительно (0,0002 %). При этом он встречается как в виде стабильного (181Та), так и в виде радиоактивного изотопа (180mТа).

Тантал находят в гранитных, щелочных, кабонатитных месторождениях, где он может присутствовать в составе более чем 60-ти минералов, включая колумбит-танталит, манганотанталит, воджинит, лопарит и др. Этот металл добывается Египте, Таиланде, Франции, Нигерии, Канаде, странах СНГ. Самым же крупным месторождением танталовых руд в мире считается австралийское – Гринбушес.

Свойства тантала

Главная особенность тантала – исключительная химическая стойкость перед сильными кислотами и расплавами ще­лочных металлов. Нагрев этого металла на воздухе до 200-300 о С приводит к его окислению, сопровождаемому образованием газонасыщенного слоя под окисной пленкой.

Физические характеристики тантала:

• плотность – 16,6 г/см 3
• температура плавления – 2996°С
• температура кипения – 5425°С
• теплота сгорания – 1346 кал/г
• теплопроводность при 20 о С – 0,13 кал/см-сек-град
• коэффициент линейного расширения при 20-500 о С – 6,6*10 -6

Сплавы тантала

Чтобы понять, для чего нужен тантал, стоит обратить внимание на его химические характеристики. Этот металл наделен слабыми химическими свойствами, поэтому не растворяется даже в царской водке. Эта его устойчивость используется при создании различных сплавов, в том числе идущих на изготовление металлических конструкций.

Лучшей легирующей добавкой тантала считают вольфрам, ниобий и молибден. Наиболее популярным и востребованным является сплав тантала и вольфрама (в количестве 10%), который отличается очень высоким пределом прочности – 96 кГ/мм 2 . Не менее распространен сплав тантала с гафнием, который выпускается в виде проката: листов, проволоки, полос, трубок и т.д.

Применение тантала

Применение тантала и его многочисленных сплавов весьма разнообразно:

• сухие электролитические кон­денсаторы
• нагреватели в вакуумных печах
• катоды косвенного нагрева
• основа для производства ряда кислот (H 2 SO 4 , HCl, HNO 3 и др.)

Благодаря стойкости металла к коррозии применение танталовых конденсаторов в радарных аппаратах и других электронных системах позволяет увеличить срок эксплуатации передатчиков до 10-12 лет. Используют тантал и ювелиры: этим металлом они часто заменят платину при изготовлении оболочек браслетов и часов.

Интересна и биологическая роль тантала, ведь он прекрасно воспринимается человеческим организмом, а потому идёт на производство пластин для черепных коробок, глазных протезов и материалов для сшивания нервных волокон.

Стоимость тантала

Стоимость тантала зависит от вида проката и на 05.15 г. составляла (за 1 кг):

• лист – $780
• пентаоксид – $300
• порошок – $590
• проволока – $1360
• пруток – $1180