金属钽粉的生产及提纯工艺进展

王荣生

江门富祥电子材料有限公司 广东江门 529000

摘要：金属钽粉属于当前工业生产的重要原材料之一，目前常用的提纯方法包括氟钽酸钾氧化还原法、镁氧化还原法和电脱氧化法等。为了提升金属钽粉的生产质量，保证其提纯工艺的发展，相关工业生产单位需要因地制宜选择最佳的提纯方式。本文针对金属钽粉的生产和提纯工艺技术进行研究，相关内容如下所述。

关键词：金属钽粉；生产；提纯工艺；进展

金属钽粉熔点高、硬度强、抗腐蚀、导热导电性能优越等特点。目前金属钽粉被广泛运用与硬质合金、电子工业和航天航空等领域。经过提纯后的钽制作的钽电容器具有稳定性强、介电常数大、漏电量小且工作温度范围宽等优势。近年来，我国的计算机通信行业发展迅速，对稳小型的钽电容器的需求也越来越高。通过加强钽金属冶炼，改善其工艺，可降低钽粉中的其他金属物质含量，提升钽粉的纯度。

1.简述钽粉生产、提纯的原理研究

目前备制金属钽粉的工艺技术包括金属钠还原氟钽酸钾、电子间接还原法、熔融盐电脱氧法等。生产金属钽粉的过程中，经过钽金属化合物和还原剂得到的原生钽粉多是比表面积高的二次粒子，也被称之为多空团聚体，整体来看，其微观结构中有许多的亚粒子，而且原生的钽粉中也有许多的金属杂质。这些杂质的成分表如下：（1）氧化还原反应不彻底；（2）温度过高，反应腔体发生了腐蚀；（3）添加的原材料的纯度不够。

金属杂质多来源于反应过程中，主要以化合物的形式存在。也有研究表示，在氧化还原反应中加入N元素可以降低O元素含量，从而降低漏电流，增加电容量。整体来看，O元素主要以固溶氧和碳酸盐的形式存在，整体来看，比表面积越大，其中的钽粉的含氧量就越高。而现有研究表示，含氧量达到一定的固溶度的时候，整个基底就会发生变化，顶破表面的非金薄膜，也不利于高比容的钽电容器。整体来看，O中的杂质含量要予以控制，含量越低越好。C杂质主要以游离碳的形式存在，为了获得高性能的钽粉，建议将碳元素的含量控制在50ppm以下。

2.钽粉的生产工艺研究

钽粉的生产方式较多，其中氟钽酸钾加钠还原法、氧化钽镁/钠还原法、均相还原法等。

氢氟酸加钠还原法应用最早，在1960年就予以推广，其原材料为K2 TaF 7 和金属Na，混合卤素盐混合物稀释后生产备至钽粉。因为该反应属于放热反应，混合后会产生大量的热量，控制温度即可以控制反应速度。这种方式的优点在于成本低，缺点包括高耗能、环境污染大。整体来看不适合做高比容量的电容器，生产的钽粉精度也不太理想。

氧化钽镁/钠还原法需要在800℃的高温下操作实现，生产中需要将金属镁元素气化，后期对氧化钽元素还原，得到细小的金属钽粉，这种方式可获得小粒径的钽粉，而且钽粉的比容高、表面的形态可控，但是对生产设备要求高，属于核心的生产工艺，整体设备的工艺较为复杂，该技术仅仅掌握在少部分的厂商手中。

均相还原法解决了高温生产钽粉粒径大的问题，同时可以增加钽粉的细腻程度，有效解决了电容器的比电容值的问题。目前，液氨反应的处理方式可以构造一个低温的理想的电特性环境，可以在低温下促进核过程，同时限制其反应。整体来看，液氨环境下的均相反应效果理想，后期经过高温热处理后，可以获得强度高、流动性好的钽粉。缺点在于生产时候对反应器设备要求高，安全生产控制严格，若操作不当可能导致着火风险，因此仅针对特殊设备进行大规模生产。

氧化钽电脱氧法具有操作流程短、环境友好等综合特点。将固态氧化物制成阴极，石墨棒作为阳极，CaCl 2 -NaCl混合熔盐为反应体系，并在低于金属熔点温度和熔盐分解电压下的条件下分解。整体的生产效率流程短，但是生产的钽粉的含氧量高，不适合高精度、大批量生产。

3.钽粉的提纯除杂工艺研究

目前，钽粉提纯的工艺技术包括酸洗和水洗两种。其中酸洗液的配比、温度以及含量、水洗的工艺步骤都会影响提纯的效果。因为在提纯除杂过程中，金属物质的金属活性有差异。常见的铜离子、铁离子、铬等金属活性高，很容易被氢氟酸、盐酸等酸溶液所清洗。而在生产中非金属物质如碳元素、氧元素、氮元素的除杂难度较大。

在1999年，西方科学家研究了一种低温酸洗除杂的方式，可有效清除钽粉中的杂质含量。处理过程为：（1）配置好硝酸水混合溶液，将其放入容器中以400-500转每分的转速搅拌；（2）采用冷却+反馈加热的方式，混合一定浓度的氢氟酸，混合反应半小时左右；（3）反应完毕后迅速降低温度到5℃左右，同时将钽粉转移到大体积的容器中，可以用去离子水洗；（4）处理完成后将其放置在82℃环境下恒温烘干。实验结果表示，不同浓度和反应温度下，相同硝酸浓度和含量，氢氟酸的浓度越高，钽粉的含氧量就越低；而反应温度升高，氢氟酸也会随之溶解掉一部分钽粉，此时钽粉的粒径表现，比表面积变大，会直接增加钽粉的吸附氧的能力，同时增加钽粉的氧杂质浓度。整体来看，低温反应的可以降低钽粉的反应速度，同时还能够控制含氧量，但是反应不够剧烈也会降低酸洗的效率。

碳元素的化学系能较为稳定，在钽粉主要以游离碳的形式存在，在实际的生产环境中，因为碳元素不溶于水，和酸溶液的整体反应速度较慢，因此在实际的生产中也要严格控制碳杂质含量。重液分离法是最常用的除杂方式。

氮元素在钽电容器生产中可发挥促氧除杂的效果，属于正面影响元素，例如用氮元素来制造电容器还能预防烧结的风险，提升孔隙率，同时还能够促进阴极材料的使用，提升电容器的整体容量；一些硅元素在钽粉中多以二氧化硅的形式存在，含量较低，可以加入适当的氢氟酸来清理。

混合金属杂质如铁元素、镍元素、铜元素等多受到反应腔体的影响，虽然整体的质量控制影响不大，但是对钽电容器的漏电流有一定的影响。在实际的生产中，金属杂质可以和硝酸、盐酸、氢氟酸发生剧烈的反应，实现除杂的效果。整体来看，铁金属和镍金属多去除宜用验算，在加热条件下可促进酸反应。铜金属可采用硝酸，因为硝酸的氧化性强而且经过化学反应还能够生成镍、氢气等物质。若需要单纯从金属杂质的去除目的来选择，建议选择盐酸和硝酸混合溶液进行酸浸，可以适当加热，一般温度越高反应越剧烈。从化学的角度来说，随着反应的加快，金属也会生成金属盐的形式溶解在水中，而酸的浓度也会发生变化，后期的反应速度也会降低。

4.结语

综上所述，钽粉属于工业化生产的重要原材料之一，属于钽电容器产品的核心材料。为了提升钽粉的质量，提升其纯度，降低杂质含量，建议将采用氢氟酸、硝酸等酸来去除钽粉的金属杂质；而对于氧元素、碳元素需要进行特殊的工艺处理。如可以在混合酸溶液中加入氢氟酸，控制温度来降低氧元素的含量。对此，建议相关生产技术人员针对金属钽粉的生产需求做好提纯管理，从而科学控制钽电容器的生产质量，最终生产出高比容、耐高温的超纯、超细的金属钽粉。

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