Сравнение пористой структуры кальциетермических и магниетермических порошков ниобия и тантала

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

С использованием программного комплекса TERRA рассчитана адиабатическая температура реакций взаимодействия Ta2O5 (2900 K) и танталата Mg4Ta2O9 (2362 K) с кальцием. Выполнен сравнительный анализ пористой структуры порошков ниобия и тантала, полученных восстановлением оксидных соединений данных металлов парами магния и кальция. Определены характерные особенности пористой структуры этих типов порошков. Высказаны предположения о причинах образования более грубой пористой структуры кальциетермических порошков.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. М. Орлов

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева – обособленное подразделение ФИЦ “Кольский научный центр Российской академии наук”

Author for correspondence.
Email: v.orlov@ksc.ru
Russian Federation, Академгородок, 26А, Апатиты, Мурманская обл., 184209

М. В. Крыжанов

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева – обособленное подразделение ФИЦ “Кольский научный центр Российской академии наук”

Email: v.orlov@ksc.ru
Russian Federation, Академгородок, 26А, Апатиты, Мурманская обл., 184209

References

  1. Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г. Металлургия редких металлов. М.: Металлургия, 1991. 432 с.
  2. Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г., Елютин А.В., Захаров А.М. Ниобий и тантал. М.: Металлургия, 1991. 296 с.
  3. Gorkunov V., Munter R. Calcium–Aluminothermal Production of Niobium and Mineral Composition of the Slag // Proc. Est. Acad. Sci., Chem. 2007. V. 56. № 3. P. 142–156.
  4. Kumar T.S., Balaji T., Kumar S.R., Kumar A., Prakash T.L. Issues and Challenges in the Preparation of Niobium for Strategic Applications // Int. J. Chem. Stud. 2013. V. 1. № 2. P. 86–89. https://doi.org/10.1007/978-3-319-67870-2_2
  5. Nersisyan H.H., Lee J.H., Lee S.I., Won C.W. The Role of the Reaction Medium in the Self-Propagating High Temperature Syntesis of Nanosized Tantalum Powder // Combust. Flame. 2003. V. 135. № 4. P. 539–545. https://doi.org/10.1134/S107042721003002X
  6. Орлов В.М., Крыжанов М.В. Магниетермическое восстановление оксида тантала в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Металлы. 2010. № 3. С. 18–23.
  7. Won C.W., Nersisyan H.H., Won H.I., Lee J.H. Refractory metal nanopowders: Synthesis and characterization // Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2010. V. 14. № 3–4. P. 53–68. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2009.10.001
  8. Nersisyan H.H., Ryu H.S., Lee J.H., Suh H., Won H.I. Tantalum Network Nanoparticles from a Ta2O5 + kMg System by Liquid Magnesium Controlled Combustion // Combust. Flame. 2020. V. 219. September. P. 136–146. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2020.05.019
  9. Орлов В.М., Крыжанов М.В. Магниетермическое восстановление Mg4Ta2O9 в режиме горения // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 9. С. 961–965. https://doi.org/10.1134/S0002337X18090105
  10. Орлов В.М., Крыжанов М.В. Восстановление оксидных соединений ниобия магнием в режиме горения // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 6. С. 604–608. https://doi.org/10.1134/S0002337X19050142
  11. Baba M., Ono Y., Suzuki R.O. Tantalum and Niobium Powder Preparation from Their Oxides by Calciothermic Reduction in the Molten CaCl2 // J. Phys. Chem. Solids. 2005. V. 66. № 2–4. P. 466–470. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2004.06.042
  12. Suzuki R.O., Baba M., Ono Y., Yamamoto K. Formation of Broccoli-Like Morphology of Tantalum Powder // J. Alloys Compd. 2005. V. 389. № 1–2. P. 310–316. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.08.016
  13. Baba M., Suzuki R.O. Dielectric Properties of Tantalum Powder with Broccoli-Like Morphology // J. Alloys Compd. 2005. V. 392. № 1–2. P. 225–230. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.09.039
  14. Baba M., Kikuchi T., Suzuki R.O. Niobium Powder Synthesized by Calciothermic Reduction of Niobium Hydroxide for Use in Capacitors // J. Phys. Chem. Solids. 2015. V. 78. P. 101–109. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2014.11.014
  15. Suzuki N., Suzuki R.O., Natsui S., Kikuchi T. Branched Morphology of Nb Powder Particles Fabricated by Calciothermic Reduction in CaCl2 Melt // J. Phys. Chem. Solids. 2017. V. 110. P. 101–109. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2017.05.032
  16. Shekhter L.N., Tripp T.B., Lanin L.L. Method for Producing Tantallum/Niobium Metal Powders by the Reduction of Their Oxides with Gaseous Magnesium: US Pat. 6171363.
  17. Shekhter L.N., Tripp T.B., Lanin L.L et al. Metalothermic Reduction of Refractory Metal Oxides: US Pat. 6849104.
  18. Shekhter L.N., Tripp T.B., Lanin L.L. et al. Metal Powders Produced by the Reduction of the Oxides with Gaseous Magnesium: US Pat. 6558447.
  19. Schnitter C., Merker U., Michaelis A. New Niobium Based Materials for Solid Electrolyte Capacitors // Proc. 22nd Capacitor and Resistor Technol. Symp. New Orleans. 2002. P. 26–31.
  20. Haas H. Magnesium Vapour Reduced Tantalum Powders with Very High Capacitances // CARTS Europe 2004: 18th Annual Passive Components Conference (October 18–21). 2004. P. 5–8.
  21. Haas D., Schnitter C. Production of Capacitor Grade Tantalum and Niobium Powders Using the New Magnesium Vapour Reduction Process // Proc. EMC. Dresden. 2005.
  22. Haas H., Schnitter Ch., Sato N. Challenge: Highest Capacitance Tantalum Powders // CARTS Europe 2008 Helsinki, 2008. P. 157–167.
  23. Хаас Х., Бартманн У., Комея Т., Сато Н., Штарк Х.К. Способ получения ниобиевых и танталовых порошков: Пат. РФ. 2397843. 2010. Б.И. № 24.
  24. Kumar T.S., Kumar S.R., Rao M.L., Prakash T.L. Preparation of Niobium Metal Powder by Two-Stage Magnesium Vapor Reduction of Niobium Pentoxide // J. Metall. 2013. V. 2013. P. 629341. https://doi.org/10.1155/2013/629341
  25. Hwang S.M., Wang, J.P., Lee D.W. Extraction of Tantalum Powder via the Magnesium Reduction of Tantalum Pentoxide // Metals. 2019. V. 9. № 2. P. 205–2017. https://doi.org/10.3390/MET9020205
  26. Hwang S.M., Park S.J., Wang J.P. et al. Preparation of Tantalum Metal Powder by Magnesium Gas Reduction of Tantalum Pentoxide with Different Initial Particle Size // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2021. V. 100. November. P. 105620. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2021.105620
  27. Park S.J., Hwang S.M., Wang J. et al. Metallic Niobium Powder Reduced by Atmospheric Magnesium Gas with Niobium Pentoxide Powder // Mater. Trans. 2021. V. 62. № 1. P. 34–40. https://doi.org/10.2320/matertrans.MT-M2020241
  28. Okabe T.H., Sato N., Mitsuda Y., Ono S. Production of Tantalum Powder by Magnesiothermic Reduction of Feed Preform // Mater. Trans. 2003. V. 44. № 12. P. 2646–2653. https://doi.org/10.2320/matertrans.44.2646
  29. Yuan B., Okabe T.H. Production of Fine Tantalum Powder by Preform Reduction Process Using Mg–Ag Alloy Reductant // J. Alloys Compd. 2007. V. 443. № 1–2. P. 71–80. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.10.004
  30. Okabe T.H., Iwata S., Imagunbai M. et al. Production of Niobium Powder by Preform Reduction Process Using Various Fluxes and Alloy Reductant // ISIJ Int. 2004. V. 44. № 2. P. 285–293. https://doi.org/10.2355/isijinternational.44.285
  31. Орлов В.М., Крыжанов М.В., Калинников В.Т. Магниетермическое восстановление оксидных соединений тантала // Докл. АН. 2014. Т. 457. № 5. С. 555–558. https://doi.org/10.7868/S0869565214230157
  32. Орлов В.М., Крыжанов М.В. Получение нанопорошков тантала магниетермическим восстановлением танталатов // Металлы. 2015. № 4. С. 93–97.
  33. Орлов В.М., Крыжанов М.В., Калинников В.Т. Восстановление оксидных соединений ниобия парами магния // Докл. АН. 2015. Т. 465. № 2. С. 182–185. https://doi.org/10.7868/S0869565215320146
  34. Орлов В.М., Крыжанов М.В. Влияние состава прекурсора и условий восстановления на характеристики магниетермических порошков ниобия // Металлы. 2016. № 4. С. 20–26.
  35. Орлов В.М., Киселев Е.Н. Восстановление оксидных соединений тантала парами магния в интервале 540–680°С // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 8. С. 829–835. https://doi.org/10.31857/S0002337X22080097
  36. Орлов В.М., Киселев Е.Н. Восстановление оксидных соединений ниобия парами магния в интервале 540–680°С // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 12. С. 1312–1319. https://doi.org/10.31857/S0002337X22120089
  37. Орлов В.М., Крыжанов М.В., Князева А.И. Порошки тантала с мезопористой структурой // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2016. Т. 52. № 5. С. 500–504. https://doi.org/10.7868/S0044185616050181
  38. Орлов В.М., Крыжанов М.В., Князева А.И., Осауленко Р.Н. Порошки ниобия с мезопористой структурой // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2018. Т. 54. № 5. С. 444–449. https://doi.org/10.1134/S0044185618050297
  39. Орлов В.М., Крыжанов М.В. Восстановление оксидных соединений тантала парами кальция // Неорган. материалы. 2023. Т. 59. № 5. С. 501–507. https://doi.org/10.31857/S0002337X23050123
  40. Крыжанов М.В., Орлов В.М. Восстановление оксидных соединений ниобия парами кальция // Неорган. материалы. 2023. Т. 59. № 11. С. 1292–1302. https://doi.org/10.31857/S0002337X23110076
  41. Несмеянов А.Н. Давление пара химических элементов. М.: Изд-во АН СССР, 1961. 396 с.
  42. Трусов Б.Г. Программная система ТЕРРА для моделирования фазовых и химических равновесий в плазмохимических системах // 4 Междунар. симп. по теоретической и прикладной плазмохимии. Иваново. 2005. http://main.isuct.ru/files/konf/ISTAPC2005/proc/2-11.pdf, свободный (дата обращения 13.12.2023).
  43. Крыжанов М.В., Орлов В.М., Сухоруков В.В. Термодинамическое моделирование магнийтермического восстановления тантала и ниобия из пентаоксидов // Журн. прикл. химии. 2010. Т. 83. Вып. 3. С. 380–385.
  44. Орлов В.М., Крыжанов М.В. Термодинамическое моделирование процесса магниетермического восстановления танталатов магния и лития // Неорган. материалы. 2015. Т. 51. № 6. С. 680–684. https://doi.org/10.7868/S0002337X15060111
  45. Орлов В.М., Крыжанов М.В., Киселев Е.Н. Особенности формирования пористой структуры порошков тантала и ниобия при магниетермическом восстановлении танталата и ниобата лития // Неорган. материалы. 2020. Т. 56. № 9. С. 986–992. https://doi.org/10.31857/S0002337X20080114
  46. Müller R., Bobeth M., Brumm H. et al. Kinetics of Nanoscale Structure Development during Mg-vapour Reduction of Tantalum Oxide // Int. J. Mater. Res. 2007. V. 98. № 11. P. 1138–1145. https://doi.org/10.3139/146.101567
  47. Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Лапин В.В., Курцева Н.Н. Диаграммы состояния силикатных систем: справочник. Л.: Наука, 1969. 822 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Dependences of the adiabatic reduction temperature on the batch temperature in the Ta2O5–M (a) and Mg4Ta2O9–M (b) systems; M – Ca (1–5), Mg (6); reducing agent content: stoichiometric (1, 6), excess 25 (2), 50 (3), 75 (4), 100% (5).

Download (191KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Calculated equilibrium concentrations of substances (n) in the systems of initial reagents: Ta2O5–Ca (1 – Tasolid,l, 2 – CaOsolid,l, 3 – Ta2O5l, 4 – Cag, 5 – TaO2g, 6 – TaOg, 7 – CaOg) (a); Mg4Ta2O9–Ca (1 – Tasolid, 2 – CaOsolid, 3 – Ta2O5l, 4 – Cag, 5 – TaO2g, 6 – MgOsolid, 7 – Mgg) (b).

Download (225KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Distribution of pore sizes in niobium powders obtained by reduction of Nb2O5 with calcium (1) [40] and magnesium (2) vapors; specific surface area of ​​powders: 9.4 (1), 30 m2/g (2).

Download (97KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Distribution of pore sizes in niobium powders obtained by reduction of Mg4Nb2O9 with calcium vapor (a) and magnesium vapor (b); specific surface area of ​​powders: 42 (1), 32 m2/g (2) [40] (a), 154 m2/g (b).

Download (153KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Distribution of pore sizes in tantalum powders obtained by reduction of Ta2O5 with calcium (1) and magnesium (2) vapors; specific surface area of ​​powders: 8.2 (1), 9.6 m2/g (2).

Download (102KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Distribution of pore sizes in tantalum powders obtained by reduction of Mg4Ta2O9 with calcium (1) and magnesium (2) vapors; specific surface area of ​​powders: 14 (1), 59 m2/g (2).

Download (119KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. SEM images of the initial magnesium niobate powder (a) and niobium powders obtained by its reduction with calcium at: 1073 K, 1 h (b); 1123 K, 2 h (c) and magnesium at 1103 K, 4 h (d).

Download (1MB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».