钽棒厂家介绍钽及钽合金在电子数码武器化工耐蚀设备等领域的新应用

1、前言

金属钽于1802年由瑞典化学家A．G．Ekeberg发现，1922年在美国扇钢公司进行工业化规模生产。

钽和钽合金具有高密度、高熔点、耐蚀、优异的高温强度、良好的加工性、可焊性及低的塑，脆转变温度、优异的动态力学性能及经氧化处理后表面形成致密、稳定、高介电常数的无定形氧化膜等特点而被广泛应用于电子、化工、航空航天、武器等领域。在钽及钽合金材研究方面，美、俄等国的研究较为深人，主要涉及合金密度、动态力学性能、抗氧化、抗腐蚀和高温蠕变等方面的内容。20世纪50～70年代，美、苏间军备竞争大大促进了钽及钽合金的发展，特另叱垦菇亥动力系钐艺用Ta—W、Ta—W—Hf、Ta—W—Hf-Re—C等系列合金[1]。70年代后，由于美、苏财政紧张等原因，钽及钽合金的研究步伐放慢，但中国加快了在此领域的研究步伐。80年代后期至今，美、俄等国钽及钽合金的研究又逐渐活跃起来，主要包括抗氧化的Ta—Ti合金121、武器系统用Ta和Ta—W合金。

2、钽工业的发展及应用

20世纪90年代以来，全球钽市场需求持续稳步增长，至2000年达历史最高峰的2858 t(以Ta2O5计)。2001年至2002上半年由于全球经济低迷，IT业投资减少，造成全球钽需求量锐减，给钽工业的发展带来巨大的冲击，2002年下半年情况有所好转。

根据国际钽铌研究中心统计数据，2002年全球钽应用及相应份额见表1。随着电子行业和世界高科技技术的发展，预计2003年一2004年全球钽需求量将逐渐恢复至正常水平。2003年前3个季度Gwalia家族公司钽销售量为780 t，全年达到1130 t，2006年至2250 t。今后5～10年，全球钽工业预计将以12％以上的增幅持续发展。

2.1 电子工业用钽

金属钽主要应用于电子工业，全球约有60％～65％的钽用于钽电容器。钽电容器体积小，容量大，可靠性高，寿命长，耐压性能好，功能稳定，且能在其他电容器如铌电容器、陶瓷电容器不能满足的苛刻条件下正常工作，因此其在通讯、计算机集成电路、汽车电子控制系统、数码电器等方面得到了极为广泛的应用。近年来世界钽电容器的发展以每年约20％的速度递增，虽然2001年至2002年上半年受到经济低潮冲击，但随着世界经济的复苏，预计今后仍会以约15％冈的速度增长，这就为钽工业的发展提供了平台。据Roskill报道，钽电容器在汽车发动机控制系统和安全囊系统中的应用会在不久的将来得到快速发展。铌电容器的发展也很迅速，但由于铌电容器的极限工作温度较低(不超过105 oC)，漏电率为钽电容器的5倍一10倍，故目前铌电容器对钽电容器还构不成市场威胁。

采用铝合金作连接件材料的集成电路和逻辑半导体设备已不再适应设备小型化的发展要求。目前先进的高速计算设备，如微处理器和数字信号处理器要求连接件材料必须能传输高电流密度且电阻率尽可能小。虽然金属Cu具有许多优异的电性能等而成为首选材料，但Cu与si的互扩散系数较大，对电路系统很不利。Ta和Ta的化合物由于具有热稳定性、在Cu和Si中具有扩散系数均很小，热导率大、粘接性好等优异性能而成为理想的扩散隔层材料㈨。据半导体工业协会预测，随着微处理器的广泛应用，Ta在这方面的需求将快速增长。这可能为钽开辟了一个较大的应用领域。P．J．Ding和Tomi Laurila等详细研究Ta，TaC，Ta2N，TaN等各种隔层材料。芬兰赫尔辛基理工大学的Tomi Laurila博士等也详细研究了Ta，TaC，Ta2N等扩散隔层在Cu和Si中的稳定性及氧元素对Cu／Ta／Si反应的影响。研究结果表明，一定厚度的Ta，TaC，Ta2N，TaN薄膜等均能成为Cu和Si之间稳定的扩散隔层，从而实现阻隔功能。

2.2 高温合金用钽

钽在高温合金中的应用也日渐增加。目前国外性能较好的航空发动机叶片大部分由Ni基超合金单晶制成，且合金中钽成分的比例越来越大。美国橡树岭国家实验室和田纳西州大学正在研究一系列地面基和航空发动机用高温抗氧化Cr—Cr2Ta合金[7~10]。采用定向凝固技术可制得均匀层状的Cr-Cr2Ta合金(图1)。该合金中Ta和Cr形成的Cr2Ta Laves相弥散于cr基体中，改善了合金的高温强度和室温断裂韧性。这是由于层状结构使裂纹难以扩展，进而使其偏析、分叉并产生剪切筋，从而提高了材料的室温

断裂韧性。这类合金的研究成功将提高燃气涡轮机的热效率，并将广泛应用于叶片、密封件和喷嘴等。

此外，还可用于燃气清洁系统部件(如热气过滤器)、油、气井的钻头等。

2.3 武器系统用钽

钽和钽合金具有高的动态断裂性能和高密度、适中的声速及纵火等优良的综合特性使其成为理想的破甲弹、爆炸成形弹药型罩材料。美国等西方国家早在20世纪80年代后期就开始研究钽及钽合金等作为药罩材料的可能性，并取得较大成效，如美制TOW一2B、TOW—NG导弹等就装备了钽药型罩。弹道

试验表明，Ta的侵彻性能较Cu高30％一35％[11]。如：在相同质量、相同长细比(UD=-4)弹丸速度为2000m／s时，Ta制弹丸对RHA(轧制均质装甲钢)的侵彻深度为160 mm，而cu的仅为123 mm。目前，钽药型罩材料的研究主要集中在改进加工工艺，节约成本，提高弹头的侵彻性能。

美国陆军装备研发工程中心(ARDEC)和特克斯特朗系统公司目前采用P/M法研制爆炸成形弹钽药型罩，取得了显著的成效陋Ⅲ。这种钽药型罩主要应用于美制SADARM、STAFF和WAM、德制SMART、瑞典制BONUS等的爆炸成形弹。

采用H．C．Starck公司的高纯钽粉(氧含量不大于0．025％)经等静压压制，烧结后挤压加工成坯料，再经中间退火处理，旋锻制得钽药型罩。

材料的力学行为研究表明，这种粉末烧结、挤压、旋锻的钽罩的力学行为与弥散强化的钽合金罩相一致。其流变应力与其晶粒尺寸有关，而与材料的含氧量无关。其流变硬化也对材料的含氧量不敏感，且与晶粒大小无关。在从准静态到动态应变速率范围内，旋锻的钽罩的应变硬化程度减弱。弹道试验表明，烧结、挤压、旋锻成形的钽罩成功地制成了具有要求形状良好的爆炸成形弹弹丸。

在未来10年内，美国对钽药型罩材料的研究将主要集中在一方面改进加工技术，如电子束沉积、电铸技术，并结合先进的电子背散射衍射分析技术，改善药型罩材料的组织，另一方面降低成本，以实现钽药型罩材料的大规模实用。

另外，与铬相比，α相钽的熔点高，热导率低，且耐烧蚀，延性好。虽然钽的价格较高，但火炮管内表面接近20000C的高温大大降低了炮管镀铬层的寿命，而钽的熔点高达2996℃，采用镀钽身管，其寿命将提高8倍以上。美国太平洋西北实验室(PNNL)和陆军贝内特实验室(Benet Labs．)研究了炮管溅射沉积钽的技术，准备用镀钽身管替代目前大口径火炮的镀铬身管(120mm坦克炮管和150mm曲射榴弹火炮管)05～161。研究表明，圆筒试样基体温度为200℃～300℃，使用氪和氤作为溅射气体，有助于在4340钢圆筒基体内壁上形成致密的d相钽涂层；用氪和氙气作溅射气体具有较高的溅射效率和较快的沉积程度，部分补偿了在炮膛内制造厚钽涂层所需的较高费用；使用氪作溅射气体时，4340钢圆筒基体的温度超过2000C，才能产生具有100％体心立方晶格Ot相的钽涂层。而使用最普通的氩气作为溅射气体，在200℃基体温度下，则产生了含β和α相的钽涂层，这对涂层的致密性是很不利的。今后将继续研究使用普通氩气作为溅射气体时产生具有100％体心立方晶格α相的钽涂层的工艺技术。

3、结语

钽及钽合金优异的综合性能使其广泛应用于电子、化工、武器等行业。虽然钽工业经历2001年至2002年上半年的经济低潮期，但2003年。2004年将恢复发展。今后5~10年，全球钽工业预计将以12％以上的增幅持续发展。随着钽电容器的迅速发展，电容器对钽的需求将大幅增加。集成电路中铜替代铝作为连接件材料，为钽开辟了一个较大的新应用领域。高温合金的快速发展，使钽在高温合金中的应用日益增加。钽及钽合金优异的动态性能亦加速了其在武器中的应用和发展。

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