В каких конденсаторах содержится тантал

Этот металл очень редко встречается в природе. Известные месторождения танаталовой руды расположены в Индии, Франции, Таиланде, Китае. Он почти по всем свойствам совпадает с ниобием. Поэтому тантал тождественен ниобию.

На территории СНГ в Казахстане есть одно из крупнейших предприятий в мире осуществляющее полныхй производственный цикл тантала (от переработки до готовой продукции) — это АО "Ульбинский металлургический завод".

Танатал является ценным и стратегическим металлом, так как его используют в космической отрасли, энергетике и оборонной промышленности России. Но в основном его используют в производстве конденсаторов, где он содержится в анодах.

Цена тантала за 1 грамм

На июнь 2019 года стоимость тантала за кг на мировых рынках составляет около 308 долларов.

Соответственно за 1 грамм будет цена — 0,3 долл или 18 рублей.

Динамика цен на тантал

Применение тантала

Раньше тантал применяли лишь для изготовления проволоки для ламп накаливания.

В настоящее время тантал и его сплавы используют в различных отраслях промышленности.

Из него производят:

• Электролитические конденсаторы (серии К52 и К53)
• Ювелирный металл (тантал образует на поверхности красивые радужные пленки)
• Танталовая проволока
• Используют в атомной технике оксид тантала для варки стекла
• Для производства твердых сплавов используют карбид тантала для бурения камней, композитов.
• В качестве облицовки боеприпасов для улучшения бронепроницаемости
• Из тантала изготавливают теплообменники для ядерно-энергетических систем
• Так как металл прочнй, его применяют в хирургии для изготовления проволоки, листов, фольги, с помощью которых скрепляют нервы, ткани, накладывают швы, производят протезы
• Лабораторную посуду, аппаратуру для химической промышленности

Свойства тантала

Серовытый металл с голубым оттенков. Впервые открыт в 1802 году химиком из Швеции А.К. Экебергом. Химик нашел его в двух минералах, которые были найдены в Швеции и Финляндии. В переодической системе Д.И. Менделеева имеет атомный номер 73. Имеет тугоплавкое свойство, и начинает плавится при температуре 3017ºС. Относится к парамагнетикам. Также хорошо поглощает газ, при 800 °C он способен поглотить 740 объёмов газа.

Тантал не растворяется в кислотах, кроме смеси азотной и плавиковой кислот. На воздухе окисляется только при температуре свыше 280 °C. При нормальных таемпературах тантал не активен.

Термодинамические свойства тантала

Лом тантала — редкий вид вторичного сырья, поэтому статья будет посвящена больше самому металлу, его свойствам и области применения, нежели лому тантала.

На территории СНГ существует ЕДИНСТВЕННОЕ и одно из крупнейших в мире предприятий с полным циклом производства тантала (от переработки танталниобийсодержащего сырья до готовой продукции) — это АО «Ульбинский металлургический завод» (сайт).

Тантал относится к виду «стратегических» металлов, в силу ряда причин. Одна из них использование этого элемента для оборонной, аэрокосмической отрасли промышленности. Тантал эксплуатируется разнопланово, в частности для оборонки он применяется как:

• металлическая облицовка зарядов;

• внутри конденсаторов электронных приборов.

Конденсаторы с танталом

Еще один фактор отнесения этого металла к разряду «стратегический» – его применение для теплообменников ядерно-энергетических систем. Это связано с высокой степенью устойчивости материала к высоким температурам и парам цезия.

Особенности сдачи лома титана

Во-первых, это ограниченный выбор пунктов приема (а в некоторых городах и вовсе их отсутствие). Большинство из них не работают с некоторыми видами редких металлов, к которым относится тантал.

Второй ограничительный фактор – возможность проверки сдаваемой партии на законность сделки. Конечно, это больше относится к металлическим отходам в форме прутьев, листов или слитков.

Например, в городе Усть-Каменогорске (Республика Казахстан), где расположен упомянутый выше крупнейший металлургический комбинат «УМЗ» с производством тантала — все пункты приема лома оповещены о том, что при первом же случаи обнаружения лома тантала следует сообщать в полицию.

Территория завода «УМЗ» (ULBA) г. Усть-Каменогорск Казахстан

Основные виды танталового металлолома

Останавливаясь на элементе, как источнике вторичного редкого металла, можно определить несколько видов танталосодержащих отходов:

• кусковой лом, включает прутья, листы, трубки, проволоку и прочее;

Так выглядит тантал — темный металлический цвет, на фото лист танталовый

• сплавы с другими редкими металлами;

• конденсаторы.

Дополнительно, элемент содержится в сплавах вольфрам-титан-тантал, однако его содержание внутри соединения не превышает 14%. Еще один потенциальный источник обнаружить тантал – пылевые отходы. Они образуются при работе с твердосплавными материалами:

• обработка пластин алмазным инструментом;

• производство смесей.

Для первого случая процентная концентрация тантала составляет 2 – 6%, во втором варианте не более 1.5. Следует добавить, что подобные пылеобразные отходы принимаются, как лом вольфрама, поэтому сдать тантал подобным образом крайне проблематично.

Много прибыли из небольших деталей

Интересный факт заключается в том, что практически треть производимого тантала уходит под изготовление конденсаторов на основе этого материала. Элемент используется как анод радиоэлектронных емкостей, имеющий форму высокопористой гранулированной таблетки. Преимущество танталовых конденсаторов — продолжительность срока эксплуатации. Однако даже более стойкие изделия со временем приходят к непригодному состоянию.

Несомненно, рынок использованных танталовых конденсаторов не переполнен продукцией, поступающей из военного комплекса, вследствие сложности их реализации. Но изъять емкости из бытовых приборов, для рядового охотника за редкими металлами не проблема.

Танталовые конденсаторы. На самом деле добыча тантала из радиодеталей очень сомнительна

Марок конденсаторов, содержащих танталовые аноды, насчитывается более трех десятков, однако серий при этом, только две: К52 и К53. Следует отметить, что содержание тантала в емкостях варьируется достаточно широко. Нижний предел составляет 80 грамм, тогда как максимальный вес достигает 40 килограмм, обе величины приведены из расчета на тысячу единиц использованной продукции.

Наиболее танталовосодержащими емкостями оказываются изделия марок К52-5 4 и К52-7А. В целом, вся серия конденсаторов К52 содержит более грамма тантала на единицу продукции, за исключением нескольких габаритных моделей. Единственная белая ворона – марка К52-10. В этом изделии отсутствие тантала компенсируется высоким содержанием палладия.

Сколько стоит килограмм тантала

Если мы говорим про лом тантала, то цена его относительно невысокая. Т.к. в России мало пунктов приема, кто занимается скупкой тантала и обращаться стоит к тем, кто принимает лом радиодеталей .

Средняя цена на лом тантала составляет — 400-500$ за 1 килограмм .

Средняя цена на деловой лом из тантала (листы, проволока и прочий прокат) составляет — 1000$ за 1 килограмм .

Отсюда можно сделать вывод, что разбирая радиодетали на лом тантала громадной выгоды получить не удастся.

Цена на танталовые конденсаторы составляет порядка 9000 рублей за килограмм .

Трубная продукция

Отдельной отраслью, использующей танталовые трубки, теплообменники выступает атомная энергетика. Обладая высокой жаропрочностью, низким сечением захвата нейтронов, элемент долгое время занимал основную долю в конструкционном материале ядерных установок.

Теплообменник из танталовых труб на одной из АЭС

Сегодня, тантал вытесняется из этой отрасли ниобием. Однако сдавать, списанные из атомно-энергетической сферы, танталовые изделия вряд ли получится в силу комплекса препятствий:

• запрет на реализацию;

• невозможность достать этот вид вторичного металла;

• угроза для здоровья.

Напротив, исключительная инертность тантала относительно кислот находит применение редкому металлу в химической и лабораторной целях. Из танталовых трубок изготавливаются змеевики, магистрали для подачи соляной кислоты, мешалки. Некоторые разновидности лабораторной посуды также исполнены из этого материала. Несмотря на долгие термины службы, окупающие высокую стоимость танталовой продукции, изделия со временем изнашиваются и подлежат замене. Некоторая часть списанной трубной продукции успевает просочиться на пункты приема металлолома.

Изделия из тантала

Остается добавить, что не все трубы изготовлены из марки высокочистого тантала ТВЧ. Существенный процент этих изделий исполнен из сплава этого металла с вольфрамом. Марки этих жаропрочных соединений ТВ-5 (10,15) содержат тантала на уровне 95 – 85%.

Прочие сферы использования редкого метала

Марки высокочистого тантала используются в производстве слитков и различных разновидностях металлопроката:

• листовые изделия, включая пластины, диски, ленты;

• фольга;

• трубные конструкции;

• прутки;

• проволока.

Изделия из танталовой проволоки

Область эксплуатации танталовых трубок достаточно широка. Они используются для транспортировки жидкого металла, в качестве трубопроводов под кислотные среды.

Металлургическое использование тантала широко реализовано при получении редкоземельных элементов, а также иттрия, скандия, когда танталовые тигли применяются для плавки и литья. Особенность металла уживаться с тканями человеческого организма без негативных последствий широко реализована в протезировании. Дополнительно, танталовые скобы выступают, как материл при закреплении шва.

С одной стороны, отходы металлического тантала, включая его сплавы, характеризуются широким разнообразием:

1. Кускового лома слитков. Образуются обломки корон при вакуумно-дуговом переплаве.
2. Обрезью листовых полуфабрикатов.
3. Браком штабиков.
4. Стружкой.
5. Отсевами порошка.

С другого ракурса, сдача вторичного тантала остается существенно ограниченной из-за особенностей сфер его использования: оборонная промышленность, атомная энергетика, химическое производство, лабораторные цели.

Конструкция и особенности танталовых конденсаторов

В настоящее время, кроме всем знакомых алюминиевых электролитических конденсаторов, в электронике применяются электролитические конденсаторы с диэлектриком из пентаоксида тантала. Вот о них и пойдёт речь далее.

Давайте узнаем, как устроен танталовый электролитический конденсатор, а также изучим его сильные и слабые стороны. Вот так выглядит танталовый чип-конденсатор для поверхностного монтажа ёмкостью 1 мкФ и рабочее напряжение 35V.

Как известно, на ёмкость конденсатора влияет площадь обкладок, а также толщина диэлектрика, который находится между ними.

В качестве анода в танталовом конденсаторе выступает порошок из тантала высокой степени очистки. Этот порошок прессуют и нагревают в вакууме до высокой температуры (1300 – 2000 0 С). В результате получается пористая структура, похожая на губку. За счёт высокой пористости удаётся получить большую площадь анодной обкладки.

Формирование диэлектрика.

Далее при производстве конденсатора формируется диэлектрик. Это делается с помощью электрохимического окисления.

Меняя величину приложенного напряжения, формируют необходимую толщину слоя диэлектрика.

На пористой поверхности танталового анода образуется тончайшая плёнка диэлектрика – пентаоксида тантала Ta₂O₅. Благодаря этому оксиду удаётся получить очень тонкую и непроводящую плёнку. Отметим, что полученный диэлектрик имеет аморфную структуру и не проводит ток. Также существует кристаллический Ta₂O₅, но в отличие от аморфного он является проводником. Запомним эту особенность.

Только вдумайтесь, толщина плёнки диэлектрика Ta₂O₅ может составлять несколько сотен – тысяч ангстрем! Чтобы было более наглядно, переведём ангстремы в доли метра. 1 ангстрем = 1,0 * 10 -10 метра, другими словами 1 ангстрем = 0,1 нанометра. Таким образом, толщина слоя диэлектрика у танталового конденсатора составляет от 10 до 100 нанометров! Так что, нанотехнологии уже давно применяются на практике и удивляться этому не стоит.

Для сравнения. У рядовых алюминиевых электролитических конденсаторов толщина диэлектрика чуть менее 1 мкм (1 мкм = 0,000 001 метра). Это в 100 раз больше, чем толщина самой тонкой плёнки пентаоксида тантала в 10 нанометров.

Твёрдотельный электролит.

В качестве электролита в танталовых конденсаторах используется диоксид марганца MnO₂. Данный оксид является твёрдотельным полупроводниковым материалом.

Полученную ранее губчатую структуру из пористого танталового порошка с образованным слоем диэлектрика пропитывают солями марганца. Далее с помощью окислительно-восстановительной реакции под нагревом формируют слой твёрдого электролита. Процесс повторяется несколько раз.

Особенности катода танталового конденсатора.

Для наилучшего контакта с выводом катода твёрдый электролит MnO₂ покрывают слоем графита, а на его поверхность наносят металл, обычно это серебро. Так что в танталовых конденсаторах присутствует один из самых востребованных драгоценных металлов. О драгметаллах в радиодеталях читайте здесь.

Полученную конструкцию запрессовывают в компаунд. Вот так в общих чертах выглядит устройство и технология изготовления танталового конденсатора.

ESR танталовых конденсаторов.

ESR танталового конденсатора на низких частотах определяется сопротивлением диэлектрика Ta₂O₅, а на высоких частотах его определяет уже сопротивление электролита MnO₂.

Как известно, импеданс (ёмкостное сопротивление) с ростом частоты падает вплоть до частот мегагерцового диапазона. А поскольку сопротивление электролита MnO₂, которое входит в ESR также уменьшается с увеличением температуры, то на высоких частотах ESR тоже уменьшается.

Благодаря этому, танталовые конденсаторы прекрасно работают в импульсных источниках питания, рабочая частота которых выше 100 кГц. На высоких частотах ESR их очень мал.

Недостатки танталовых конденсаторов.

Особенностью танталовых конденсаторов является то, что пентаоксид тантала имеет аморфную структуру и не проводит ток. Но, вот кристаллический Ta₂O₅ является прекрасным проводником. Под действием внешней температуры и высокого напряжения в диэлектрике образуются участки с кристаллическим Ta₂O₅. Это приводит к резкому возрастанию токов утечки и пробою.

При малых областях кристаллизации Ta₂O₅ может проявляться эффект восстановления. Возросший ток через область пробоя вызывает сильный нагрев и, как следствие, химические реакции в структуре твёрдого электролита MnO₂. В результате нескольких преобразований образуется непроводящий оксид марганца (MnO). Таким образом, место пробоя "закрывается" непроводящим ток оксидом.

Дефект конденсатора может быть вызван не только эксплуатацией в жёстких условиях.

Также причиной пробоя могут быть:

Механические повреждения диэлектрика при производстве, например, при ударе и вибрациях;

Повреждение слоя диэлектрика при формировании твёрдого электролита. Так как в результате формирования электролита происходит химическая реакция с выделением тепла и газа, то из-за этого может быть повреждён диэлектрик.

Любой, даже самый чистый материал имеет включения и загрязнения. Так и танталовый порошок имеет загрязнения в виде примесей: железа, кальция, углерода и т.д. Если слой диэлектрика будет слишком тонкий, чтобы покрыть участки загрязнения, то в месте присутствия примесей образуется утечка и пробой.

Наличие вкраплений кристаллического оксида тантала, которые могут образоваться в процессе производства или быть результатом некачественного сырья.

При пайке методом оплавления, который применяется на массовом производстве, наблюдается так называемая "газация" танталовых чип-конденсаторов. Дело в том, что при их неправильном хранении или из-за низкого качества самих изделий, конденсаторы впитывают влагу. Это приводит к тому, что при нагреве влага превращается в пар и вырывается наружу. Это приводит к повреждению корпуса и смещению рядом установленных компонентов.

Особенности применения танталовых конденсаторов.

В настоящее время в широкой продаже имеются танталовые конденсаторы на номинальное напряжение до 75V. Как оказалось, танталовые конденсаторы очень чувствительны к превышению номинального напряжения. Наблюдения показали, что если снизить рабочее напряжение на 50%, то показатель отказов снижается на 5%. Именно поэтому их рекомендуют использовать в схемах, где рабочее напряжение ниже номинального напряжения.

Обычно танталовые конденсаторы встречаются на печатных платах в виде SMD-элементов жёлто-оранжевого цвета. Несмотря на свои скромные размеры, они обладают ёмкостью в несколько десятков – сотен микрофарад и рассчитаны на рабочее напряжение от 4 до 75 вольт. Со стороны плюсового вывода на их корпус наносится полоса.

Танталовые конденсаторы для монтажа в отверстия обычно имеют каплевидную форму, покрыты жёлто-оранжевым компаундом и имеют со стороны плюсового вывода метку в виде линии.

Маркировка танталовых конденсаторов похожа на маркировку керамических. Ёмкость указывается тремя цифрами, последняя указывает на количество нулей. Таким образом, запись 226 говорит нам о том, что ёмкость равна 22 000 000 пикофарад = 22 000 нанофарад = 22 микрофарады. Номинальное напряжение (Rated Voltage) указывается ниже. Далее на фото видно, что номинальное напряжение конденсатора равно 35 вольтам (надпись 35).

На некоторых конденсаторах маркировка иная. После числового значения ёмкости ставится буква µ (микро), а после номинального напряжения конденсатора указывается буква V.

На фото показан танталовый конденсатор ёмкостью 10 мкФ и номинальное напряжение 16V.