научная статья по теме ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКОВ ТАНТАЛА НАТРИЕТЕРМИЧЕСКИМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ТЕРМООБРАБОТАННОГО НА ВОЗДУХЕ ГЕПТАФТОРТАНТАЛАТА КАЛИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКОВ ТАНТАЛА НАТРИЕТЕРМИЧЕСКИМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ТЕРМООБРАБОТАННОГО НА ВОЗДУХЕ ГЕПТАФТОРТАНТАЛАТА КАЛИЯ»

УДК 54-386:546.883

ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКОВ ТАНТАЛА НАТРИЕТЕРМИЧЕСКИМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ТЕРМООБРАБОТАННОГО НА ВОЗДУХЕ ГЕПТАФТОРТАНТАЛАТА КАЛИЯ

© 2015 г. В. Н. Колосов, В. М. Орлов, М. Н. Мирошниченко, Т. Ю. Прохорова

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦРоссийской академии наук, Апатиты e-mail: tantal@chemy.kolasc.net.ru Поступила в редакцию 11.04.2014 г.

Натриетермическим восстановлением из расплавов, содержащих термообработанный на воздухе гептафтортанталат калия (K2TaF7), получены порошки тантала. Установлено, что их удельная поверхность в 3—4 раза выше, чем у порошков, полученных в тех же условиях при восстановлении исходного K2TaF7. Повышение удельной поверхности обусловлено восстановлением комплексных оксифторидных соединений тантала K3TaOF6, K2TaOF5 и соли Мариньяка K2Ta2O3F6, образующихся при термообработке К2ТаF7. Показано, что в качестве исходного материала для получения высокоемкого танталового конденсаторного порошка пригоден гептафтортанталат калия, термообрабо-танный при температуре 600—670°C.

DOI: 10.7868/S0002337X15010078

ВВЕДЕНИЕ

Танталовые порошки широко используются в производстве объемно-пористых конденсаторов, которые являются неотъемлемой частью радиоэлектронной аппаратуры. Основной способ их получения — натриетермическое восстановление геп-тафтортанталата калия из расплава, состав которого корректируется добавкой флюса. Тенденция к миниатюризации радиоэлектронных устройств приводит к необходимости увеличения заряда на единицу объема конденсатора и, следовательно, к использованию в конденсаторостроении порошков тантала со все более развитой поверхностью.

Ранее было показано, что в процессе натрие-термического восстановления K2TaF7 существенное влияние на рост частиц тантала оказывает наличие в расплаве кислорода, приводящее к значительному повышению удельной поверхности порошка [1—3]. В качестве источника кислорода использовали смесь K3TaOF6 и KTaOF4, получаемую in situ при взаимодействии K2TaF7 и Ta2O5 в рабочем расплаве до начала восстановления [1], смесь K3TaOF6 и соли Мариньяка, образующуюся в результате разложения моногидрата перокси-пентафтортанталата калия (K2TaO2F5 • H2O) при его термообработке в вакууме [2], или соль Мари-ньяка, полученную взаимодействием K2TaF7 с кипящей дистиллированной водой [3]. Перечисленные выше комплексные соединения тантала (КСТ) являются одними из наиболее приемлемых для использования в качестве добавок в расплав

при получении высокодисперсного танталового порошка, поскольку среди известных оксифторидных соединений тантала они, по результатам термодинамического анализа, имеют высокую вероятность восстановления натрием [4]. Однако использование больших концентраций пентаок-сида тантала, требуемых для достижения высокой удельной поверхности порошка, приводит к образованию в расплаве невосстанавливаемого натрием и нерастворимого в воде оксидного соединения Ма14Та12037. Его наличие в отмытом порошке снижает качество танталового порошка. С другой стороны, синтез как К2Та0^5 • Н20, так и других перечисленных выше КСТ, достаточно сложен [5—7]. В то же время известно, что ок-сифторидные соединения тантала могут быть получены при термообработке гептафтортанталата калия на воздухе [8].

Цель настоящей работы — исследование процесса натриетермического восстановления тер-мообработанного на воздухе гептафтортанталата калия и изучение возможности использования полученного при этом танталового порошка в качестве исходного материала для создания высокоемкого конденсаторного порошка.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовали гептафтортанталат калия опытного производства ИХТРЭМС КНЦ РАН с содержанием металлических примесей менее 0.001 мас. % каждой. Термообработку K2TaF7

проводили на воздухе в муфельной печи в интервале 600—700°C в течение 1—5 ч. После загрузки в реактор шихты, состоящей из термообработанно-го K2TaF7 и NaCl ("х. ч."), взятых в массовом отношении 1 : 2, реактор вакууммировали, затем заполняли аргоном, расплавляли шихту и при непрерывном перемешивании на поверхность расплава при температуре 700—720°C начинали подавать жидкий натрий, постепенно повышая температуру за счет выделяющегося в процессе восстановления тепла до 800—850°C.

Методики отделения танталовых порошков от солей, исследования характеристик порошков и изготовленных из них анодов приведены в [2, 3]. Содержание кислорода в расплаве определяли методом ИК-спектроскопии [9]. Продукты термообработки исследовали с помощью рентгено-фазового анализа и ИК-спектроскопии. РФА проводили на дифрактометре ДРОН-2 (СиХа-из-лучение). Образцы для получения ИК-спектров поглощения получали методом прессования тонкодисперсного порошка в таблетки с бромистым калием. Съемку вели в диапазоне 400—4000 см-1 на ИК-спектрометре Specord M 80 (Jena).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведены дифрактограммы геп-тафтортанталата калия до и после термообработки на воздухе при различных температурах. Видно, что после термообработки К2ТаР7 при 600°С кроме отражений К2ТаБ7 появляются пики, соответствующие оксифторидному соединению тантала — соли Мариньяка (рисунок 1, дифракто-грамма 2). Повышение температуры термообработки до 650°С приводит к образованию еще одного оксифторидного соединения — К3ТаОР6 (дифрактограмма 3). При этом на дифрактограм-ме по-прежнему остаются пики, соответствующие К2ТаБ7. При температуре термообработки гептафтортанталата калия выше 680—700°С происходит его спекание и образование прочной спеченной корки на поверхности, в которой, согласно данным РФА, кроме соли Мариньяка и соединения К3ТаОБ6 образуются (дифрактограммы 4, 5) стабильное соединение К2ТаОБ5 (тетрагональная сингония) и гексагональные танталовые бронзы переменного состава К6Та6+гО15Б6 (Р,О)у, где г < 1, у < 3. Кристаллическая структура танталовой бронзы состоит из двух основных структурных единиц: стабильного по составу и строению каркаса [К6Та5+ О15Б6] и переменного по составу и строению канала [Тах(Р,О)у] с катионами тантала, расположенными на его гексагональной оси [10]. Обе структурные единицы не несут электрического заряда. В отличие от стабильных Та5+-соедине-ний структуры бронз содержат дефекты внедре-

ния восстановленной формы катионов тантала Та(5- 8)+. В этом же восстановленном состоянии находятся все или часть катионов канала [10]. Рефлексы дифрактограммы 5 отвечают бронзе, имеющей состав К6Та7О15Р71.

Данные ИК-спектроскопии (рис. 2) в основном согласуются с результатами РФА. Пики поглощения 3448 и 1638 см-1, присутствующие на всех ИК-спектрах, по-видимому, относятся к колебаниям растяжения и изгиба Н2О, которые появляются вследствие гигроскопичности бромистого калия, используемого при подготовке образцов для исследования ИК-спектров. Волновые числа 529 и 642 см-1 представляют основные пики поглощения К2ТаБ7, соответствующие асимметричному и симметричному валентным колебаниям ТаБ [11]. Они отчетливо проявляются в исходном К2ТаБ7 и после его термообработки в интервале температуры 600-650°С (рис. 2, спектры 1-3). Характеристическими пиками поглощения соли Мариньяка и соединения К3ТаОБ6 являются соответственно 988, 916, 668, 553, 508, 495 см-1 [7] и 900, 552, 472, 440, 417 см-1 [6]. Из данных, приведенных на рис. 2, видно, что в термообработан-ном К2ТаБ7 всегда присутствует соль Мариньяка. В то же время, пики соединения К3ТаОР6 отчетливо проявляются при 650°С и по мере повышения температуры их интенсивность возрастает. Это можно проследить по усилению пика 900 см-1, а также по появлению пиков 472 см-1 (рис. 2, спектры 4, 5) и 552 см-1 (спектр 5) с повышением температуры обработки. По данным ИК-спектро-скопии (спектры 4, 5), не удается однозначно установить наличие фазы К2ТаОБ5, так как происходит наложение линий. Данные по ИК-спек-трам танталовых бронз К6Та6 + гО15Р6 (Б,О)у авторам не известны. Все волновые числа в интервале 400-4000 см-1, приведенные на рис. 2, кроме 3448 и 1638 см-1, могут быть отнесены к пикам поглощения стабильных соединений тантала постоянного состава, обнаруживаемых РФА после термообработки К2ТаБ7.

Возможность использования К3ТаОР6 и К2Та2О3Р6 была показана экспериментально ранее, поскольку эти же соединения образуются при разложении К2ТаО2Б5 • Н2О [2]. Соединение К2ТаОБ5 также имеет высокую термодинамическую вероятность восстановления натрием (рис. 3) и ранее было использовано немецким химиком В. Болтоном при получении натриетермическим восстановлением чистого металлического тантала [12].

Исходя из представленных выше данных, для получения КСТ при термообработке К2ТаБ7 следует использовать температуры, не превышающие 650-670°С. При этом источниками кислоро-

I

А

• K3Ta0F6 Д K2Ta0F5

А '"ми ц^т А А А ААА ААА А А А

х K2Ta20зF6

□ K6Ta70l5F7.l

ххх х*хх АА

\А ГМААААА -хАЛхх ши *А

XX X X X Э*Л00С£КХЯЙЛК х • >«»о<*

ч

ч

Щ

XXX ххОх ИКП>С1ХО»П«<в □ ••□Х»Х XXX _I_I_I_

40

50 60

29, град

70

1

2

3

4

Рис. 1. Фрагменты дифрактограмм гептафтортанталата калия до (1) и после термообработки на воздухе при 600°С в течение 2 ч (2), 650°С, 5 ч (3), 670°С, 3 ч (4), 700°С, 4 ч (5).

3448

3448

1638

1638

1638

900 бб^ 553/1 --479 661 /508 472 530

3900

3500

3100

1600

1200

800

400

V, см 1

Рис. 2. ИК-спектры исходного ^ТаБ7 (1) и после термообработки на воздухе при 600°С в течение 2 ч (2), 650°С, 5 ч (3), 670°С, 3 ч (4) ч, 700°С, 4 ч (5).

да в расплаве будут К2Та2О3Р6, К2ТаОБ5 и К3ТаОР6. Энергия Гиббса реакций восстановления натрием для данных соединений более отрицательна по сравнению с восстановлением других

—AG, 1200 1000 800 600 400 200

0

кДж/моль

700

750

800

t, °C

850

Рис. 3. Расчетные значения энергий Гиббса реакций восстановления натрием ряда КСТ: 1 - К2Та2О3р£,

2 - КТаОБ4, 3 - К2ТаОБ5, 4- К3ТаОБ6, 5 - К3ТаО2Р4, 6 - К2ТаО2Б3, 7 - К3ТаО3Б2.

КСТ (рис. 3). Термообработка гептафтортантала-та калия при температуре выше 670°C нежелательна, так как при этом возможно образование нерастворимых в рабочих расплавах танталовых бронз переменного состава с общей химической формулой КДа6+p15F6(F,O)r

Исследования проводили с использ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком