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.