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Nano-Metallpulver


Tantal ist ein selten vorkommendes, duktiles, graphitgraues, glänzendes Übergangsmetall der Vanadiumgruppe. Es wird metallisch vorwiegend in der Elektronikindustrie für Kondensatoren mit hoher Kapazität bei gleichzeitig geringer Größe sowie für dünne Schichten in der Halbleiterindustrie verwendet. Da das Metall ungiftig und im Körper inert ist, wird es auch für medizinische Anwendungen wie Implantate eingesetzt.

Die Historie des Tantals ist durch sein ähnliches chemisches und physikalisches Verhalten eng mit der des Niobs verbunden. Bis Mitte des 19. Jahrhunderts war nicht klar, ob Tantal und Niob, das auch Columbium genannt wurde, dasselbe Element darstellen. Beide Refraktärelemente kommen in der Natur stets gemeinsam vor und besitzen ein kubisch raumzentriertes Metallgitter.

Der durchschnittliche Tantalgehalt in der kontinentalen Erdkruste beträgt 1,7 g/Tonne im Vergleich und ist zu jenem von anderen Spurenelementen wie dem vergesellschafteten Niob (20 g/Tonne) oder beispielsweise Blei (13 g/Tonne) bzw. Kupfer (55 g/Tonne) vergleichsweise gering. Das wichtigste Mineral zur Gewinnung von Tantal ist Columbit, (Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6, das bei höheren Tantalgehalten auch unter dem Namen Tantalit vorkommt. Die Hauptlagerstätten der Tantal-/Nioberze befinden sich in Afrika, Australien, Brasilien und Kanada, wo sie nach der Gewinnung noch vor Ort nach Brechen und Mahlen des Gesteins durch anschließende Flotation angereichert werden.

Die Aufbereitung in hochreine Tantal- und Niobverbindungen erfolgt über zwei mögliche Prozesse. Die eine Möglichkeit ist der Extraktionsprozess aus dem Flusssauren Aufschluss und die selektive Trennung des Tantals und Niobs und als Alternative die fraktionierte Destillation über die Chloridroute.

Die Weiterverarbeitung erfolgt je nach Anwendungsgebiet zum Niob- bzw. Tantaloxid bzw. Kaliumtantalfluorid. Durch Ausfällen der Oxide mittels Zugabe von Ammoniak erhält man die Oxide des Tantals bzw. Niobs, die wichtige Rohstoffe für die optische Industrie (Einstellung des Brechungsindexes) und Elektronikindustrie (Piezokeramiken, Oberflächenwellenfilter) spielen. Über die Kristallisation des Tantalfluorids als Komplexes Kaliumsalz erfolgt die Herstellung des Rohstoffs für die thermische Reduktion mit Alkalimetallen zu metallischem Tantalpulver.

Die weitere Verarbeitung zum kompakten Metall erfolgt zum einen durch pulvermetallurgisches Sintern (z.B. Anodenherstellung für Kondensatoren), zum andern durch die Schmelzmetallurgie, also dem Einschmelzen im Lichtbogenofen oder Elektronenstrahlschmelzofen.

Bei der pulvermetallurgischen Verarbeitung wird das Pulver durch Pressen in die gewünschte Form gebracht. Beim nachfolgenden Sintern wird durch die Temperatur und Dauer die gewünschte Dichte erreicht.

Bei der schmelzmetallurgischen Verarbeitung werden aufgrund des hohen Schmelzpunktes hauptsächlich Elektronenstrahl- und Lichtbogenschmelzöfen angewendet. Die Schmelzblöcke, auch Ingots genannt, weisen dann 100% der theoretischen Dichte auf.

Die so gewonnenen Ingots können durch Schmieden, Walzen oder Ziehen mit Zwischenglühungen im Hochvakuum in verschiedenste Produkte wie Platten, Rohre und Drähte umgeformt werden.



Tantalkondensatoren sind durch ihre exzellenten Eigenschaften für elektronische Filter, Sperrglieder und Hochfrequenzschaltungen ausgelegt. Sie werden in umfangreicher Stückzahl in industriellen, kommerziellen, unterhaltungselektronischen und medizinischen Geräten verbaut. Sie besitzen eine bewährte Charakteristik über einen großen Temperaturbereich und eine ausgezeichnete Langzeitstabilität.

Die Vorteile der Tantalelektrolytkondensatoren bestehen aus ihrer chemischen Stabilität, der geringen Schichtdicke und hohen Dielektrizitätskonstanten der Tantaloxidschicht und der Möglichkeit, Anoden mit einer Vielzahl an Formen und Größen und einer sehr hohen Oberfläche aus Hochkapazitiven Tantalpulver zu sintern. Die geringe Reaktivität der Tantaloxidschicht erlaubt es, hochleitfähige Elektrolyte wie Lösungen von Säuren (Nasskondensatoren), Mangandioxid (Braunstein durch die Zersetzung von Mangannitrat) und leitfähige Polymermaterialien einzusetzen, um geringe ESR-Werte (Äquivalenter Serienwiderstand) zu erhalten.

Die Kapazität und der Verlustfaktor verhalten sich gegenüber Frequenz- und Temperaturveränderungen (der Bereich einiger Typen umfasst –55°C bis zu 125 °C) sehr stabil. Ein weiterer Vorteil des Dielektrikums ist der geringe Reststrom, der deutlich geringer als bei Aluminiumelektrolytkondensatoren ist und sich auch nach längerer Lagerung/Benutzung nicht deutlich erhöht.

Die Kapazität der Tantalelektrolytkondensatoren ist durch die hohe Dielektrizitätskonstante und geringe Dicke der Tantaloxidschicht sehr hoch. Der Gebrauch von gesinterten Anoden mit sehr hohen Oberflächen erlaubt sehr kleine Abmessungen, die durch andere Kondensatoren mit gleicher Kapazität/Anwendungsspannung nicht erreicht werden können.

Auf der anderen Hand können die Kondensatoren auch in hochspannungsfesten Anwendungen (wie z.B. Luftfahrt, Automobiltechnik und Medizintechnik (Defibrillatoren)) mit extrem hoher Verlässlichkeit selbst unter extremen Bedingungen angewendet werden.

Der Tantalkondensator ist ein polarer Elektrolytkondensator. Die dielektrische Schicht ist so aufgebaut, dass der Stromfluss nur in eine Richtung unterbrochen wird. Daher ist es wichtig, bei deren Benutzung sorgfältig auf die Polarität zu achten (Positiver Anschluss ist die Anode, der negative die Kathode). Wir der Tantalkondensator mit falscher Polarisierung benutzt, wird er zerstört.

Die Anode ist ein poröser Körper aus gesintertem Tantalpulver. Eine Schicht aus Tantaloxid wird durch einen elektrolytischen Oxidationsprozess (Formierung) auf der ganzen Oberfläche der gesinterten Anode aufgebracht. Diese Oxidschicht ist das effektive dielektrische Medium (der Separator) des Kondensators. Die erhaltene Schichtdicke bestimmt die Anwendungsspannung des Kondensators.

Die Poren und äußere Oberfläche des Anodenkörpers werden entweder mit Mangandioxid, einem festen halbleitendem Elektrolyten, einer flüssigen Säurelösung oder einem leitfähigen Polymer (durch in-situ Polymerisation oder als Dispersion aufgetragen) beschichtet um als Kathode zu fungieren.

Um die Kathode elektrisch zu verbinden wird eine Metallbeschichtung auf dem MnO2 vorgenommen. Die Verwendung eines festen halbleitenden Elektrolyten garantiert die hohe Stabilität der elektrischen Eigenschaften über eine lange Zeit und einen weiten Temperatur- und Frequenzbereich.



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