氢化法制取钽粉(production of tantalum powder by hydrogenation method)

在高温下用氢气使金属钽氢化脆裂生产钽粉的过程。过程仅涉及金属钽的吸氢、脱氢制粉而无化学提纯作用，原料的纯度直接影响产品质量。采用高纯钽氢化制取的高压电容器级钽粉，纯度高，粒形平整，比表面积大，物理和电性能好，可用于制造电压在63V以上的高压固体性能钽电容器。这种高压固体钽电容器应用于航天、航空和电子工业部门。此法亦可用于从含钽(铌)残料中回收金属钽(铌)。

原理   钽和氢的反应是可逆放热反应，其反应速率比铌、锆、钛与氢气的反应速率慢，反应温度始于613K，到733K时吸氢速率增加很快，913K以后吸氢速率减慢。金属钽氢化生成的TaH_x在真空下加热至约1073K温度时迅速分解放出氢气。氢压力为0.1MPa时其在钽中的溶解度为：

钽吸氢有吸附、扩散和溶解三种形式。钽和氢的反应速率与氢的压力成正比。钽吸氢后晶格膨胀，如TaH_x的密度由纯钽的1664kg/m³减小至1510kg/m³，这种随体积增大同时产生内应力的过程加速了TaH_x的脆裂，层层裂开成片状TaH_x屑。另外，金属钽表面的氧化膜会严重阻碍其吸氢反应。

工艺   主要由预处理、氢化和后处理三部分组成。预处理是将钽锭置于含HF40％的溶液中，在室温下浸泡24～28h，使其表面活化；而钽条的表面活化则采用在约1473K温度下进行真空热处理的方法(见钮粉真空热处理)。将经过表面活化预处理的钽锭或钽条装入不锈钢反应罐中，放在电阻炉后通入高纯氢气并加热至约1073K温度，然后用分段降温制度进行氢化。采用钯管扩散法或铌、钛等活性金属吸附法制取纯度在99.99％以上的高纯氢气，这种氢气含氧、氮均低于3×10^-4％。氢化时的氢气压力为0.1～0.2MPa，氢化钽的含氢量控制在0.3％～0.4％。电子束熔炼制取的大直径钽锭可以直接氢化爆裂成片状的TaH_x屑。氢化所得的TaH_x屑经磨细制粉后，用含HC118％的溶液煮洗除铁，水力分级成不同粒度的粉末，调配混合均匀，最后在真空炉中进行真空脱氢和凝聚热处理。为减小电容器阳极烧结时的收缩率，需进行两次真空凝聚热处理。两次真空凝聚热处理的真空度为66.5mPa，温度分别为1023K和1773K，时间均为2h，即可获得高压电容器用钽粉。这种钽粉杂质含量为：C<3×10^-3％，N<3×10^-3％，0<0.2％，Nb<3×10^-3％，Si<1×10^-3％，Mn、Cu、Ni、Fe、Cr、Ti、Zr等均小于6×10^-4％。钽粉的平均费氏粒径为8～9μm。用63V钽粉制成电容器的比电容为2000～2800μF•V/g，漏电流小于0.5mA/(F•V)，击穿电压高于300V。

氢化法是目前生产高压电容器用钽粉的唯一方法。所用原料有两种，一种是用钠热还原法生产的冶金级钽粉(见钠热还原法生产钽粉)，经真空烧结和电子束熔炼后制得的高纯钽锭；另一种是用碳还原法生产的钽粉(见碳热还原法生产铌)，经真空垂熔烧结制得的高纯钽条。电子束熔炼设备费用高，但生产量大，适于大批量生产，目前国际上大都采用这种生产方法。近年来由于氢化法制取钽粉工艺的不断改进，高压电容器用钽粉的性能也在不断提高，目前美国等国家已生产了比电容2000～8000μF•V/g的高压高比电容钽粉系列产品，如用63V高压钽粉制成的电容器的比电容可达3000～4000μF•V/g，20世纪90年代将提高至4000～6000μF•V/g。