ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОЧИСТОГО МОНОКСИДА НИОБИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИЗ НЕГО КОНДЕНСАТОРА Российский патент 2009 года по МПК C01G33/00 

Перекрестные ссылки на родственные заявки

Настоящая заявка является частичным продолжением заявки с порядковым номером 10/428430, зарегистрированной 2 мая 2003 года.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу производства высокочистого порошка моноксида ниобия и к использованию таких порошков моноксида ниобия при изготовлении электрических вентильных устройств, т.е. конденсаторов.

Уровень техники

Установлено, что моноксид ниобия (NbO) обладает некоторыми необычными электрическими свойствами, которые делают его хорошо пригодным для изготовления электронных конденсаторов. Он обладает гораздо более низкой воспламеняемостью по сравнению с эквивалентными танталовыми порошками, менее дорог по сравнению с танталом и имеет намного больший, чем у тантала потенциальный сырьевой ресурс. Однако для конденсаторных порошков из моноксида ниобия необходимы высокие уровни чистоты, которую могут нарушить не только посторонние элементы типа железа и меди, но могут повредить также и другие формы ниобия, такие как металлический ниобий, диоксид ниобия (NbO₂), триоксид ниобия (Nb₂О₃) и пентоксид ниобия (Nb₂O₅). Для того чтобы быть пригодным для применения в электрических вентилях, моноксид ниобия должен быть в тонко измельченной форме, т.е. в виде тонкого порошка или предпочтительно в виде агломератов, образованных из малых частиц, обычно из малых частиц с диаметром приблизительно 1-2 μм или меньше. Для выполнения этих требований электронная промышленность производит моноксид ниобия реакцией агломерированного или спеченного пентоксида ниобия или диоксид ниобия (возможно полученного предварительным восстановлением пентоксида) с металлическим восстанавливающим агентом в условиях, при которых оксиды ниобия остаются в твердом состоянии. Это позволяет сохранить в моноксиде ниобия морфологию исходного агломерированного оксида. В одном из воплощений этого способа пентоксид ниобия вводят в реакцию при температурах порядка 1000°С с тонко измельченным металлическим ниобием в таких стехиометрических соотношениях, которые обеспечивают преимущественное образование моноксида ниобия. В другом воплощении пентоксид ниобия или диоксид ниобия вводят в реакцию с газообразным магнием и тоже при температурах порядка 1000°С. Это приводит к образованию губчатой высокопористой смеси моноксида ниобия с оксидом магния. Образующийся после выщелачивания оксидом магния продукт представляет собой пористую, обладающую большой площадью поверхности агломерированную массу моноксида ниобия.

Из-за низкой рабочей температуры, которая применяется в этих способах получения моноксида ниобия, практически отсутствует возможность удаления каких-либо примесей как в моноксиде ниобия, так и в исходных восстанавливающих агентах. Кроме того, примеси на поверхности частиц исходного материала остаются на поверхности во время твердотельного процесса, в результате чего на поверхности частиц NbO остаются потенциально вредные концентрации этих примесей. Электронные характеристики конденсаторов, изготовленных из таких поверхностно-загрязненных частиц, могут быть серьезным образом ухудшены. Требования к чистоте моноксида ниобия диктуют необходимость чистоты исходного материала. Требования к площади поверхности получаемого моноксида ниобия диктуют необходимые для процесса распределение частиц по размеру и морфологию пент- или диоксида ниобия. Эти требования жестко ограничивают доступность подходящих исходных материалов. Кроме того, из-за того что реакции протекают в твердой фазе, эти реакции являются медленными и часто не доходят до своего завершения. Продукт содержит некоторое количество высших оксидов ниобия и часто некоторое количество металлического ниобия.

Таким образом, целью настоящего изобретения является производство порошка моноксида ниобия (NbO) высокой чистоты и с достаточной площадью поверхности для того, чтобы удовлетворять требованиям NbO-конденсаторов без жестких требований к чистоте исходных материалов и размеру частиц, определяемому твердотельными процессами, и использование таких порошков для изготовления конденсаторов. Настоящее изобретение может быть также использовано для производства высокочистого диоксида ниобия и для производства крупных (несыпучих) непористых продуктов как из моноксида ниобия, так и из диоксида ниобия. Порошки, приготовленные из этих продуктов, являются непористыми и имеют заостренную форму.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение относится к порошку высокочистого моноксида ниобия или диоксида ниобия, получаемого способом, включающим:

(а) смешивание пентоксида ниобия, триоксида ниобия и/или диоксида ниобия с грубым порошком металлического ниобия в количествах, стехиометрически рассчитанных для получения продукта с определенным атомным отношением ниобия к кислороду, причем это отношение близко к примерно 1:1 в случае ниобия моноксида или к примерно 1:2 в случае ниобия диоксида;

(b) превращение смеси в плотный брикет методом холодного изостатического прессования или с помощью какого-либо другого известного специалистам метода;

(c) воздействие на этот брикет источником тепла в достаточной степени для того, чтобы поднять температуру поверхности выше точки плавления получаемого ниобия моноксида или ниобия диоксида, т.е. выше примерно 1945°С в случае моноксида ниобия или примерно 1915°С в случае диоксида ниобия, в атмосфере, которая является подходящей для предупреждения неконтролируемого окисления;

(d) протекание экзотермической реакции с образованием целевого моноксида ниобия;

(e) подкисление жидкой смеси с образованием твердого моноксида ниобия;

(f) измельчение твердого материала до образования желаемого размера частиц моноксида ниобия; и

(g) изготовление анодов конденсаторов из названных частиц моноксида ниобия с использованием обычных в области конденсаторов способов.

Например, с целью получения моноксида ниобия из пентоксида ниобия смесь пентоксида ниобия и металлического ниобия должна иметь массовое отношение приблизительно 1:1. С целью получения диоксида ниобия из пентоксида ниобия смесь пентоксида ниобия и металлического ниобия должна иметь массовое отношение приблизительно 5,7:1.

Краткое описание чертежей

Фиг.1а-с представляют рентгенограммы для NbO, полученного с помощью настоящего изобретения (фиг.1а, b), и NbO, полученного с помощью промышленной твердотельной реакции (фиг.1с); и

Фиг.2 является иллюстрацией слитка, измельченного до отдельных резко заостренных, существенно непористых фрагментов.

Описание предпочтительных воплощений

Настоящее изобретение относится к способу производства порошка моноксида ниобия, который включает смешивание Nb₂O₅, Nb₂О₃ и/или NbO₂ и металлического ниобия; образование из полученной смеси спрессованного бруска; проведение реакции в смеси при температуре выше примерно 1945°С; отверждение продуктов реакции и измельчение затвердевшего тела с образованием порошка моноксида ниобия. В одном из предпочтительных воплощений настоящего изобретения массовое отношение пентоксида ниобия к металлическому ниобию равно приблизительно 1:1. Порошок диоксида ниобия может быть получен с использованием того же способа с измененным до приблизительно 5,7:1 отношением пентоксида ниобия к металлическому ниобию.

Настоящее изобретение относится также к получению порошка высокочистого моноксида ниобия или диоксида ниобия, получаемого тем же способом из загрязненного пентоксида ниобия и/или загрязненного диоксида ниобия и из загрязненного порошка металлического ниобия. В настоящем изобретении для удаления некоторых главных примесей, включающих железо, алюминий и большинство других элементов, не являющихся тугоплавкими металлами, могут быть применены высокая температура обработки, контролируемая атмосфера и наличие жидкого состояния. Примеси на поверхности исходных материалов (после дробления, помола, растирания и т.п.) растворяются в жидком NbO, в результате чего происходит их равномерное распределение по частице, благодаря чему вредные эффекты таких примесей уменьшаются. Жидкофазная обработка позволяет также добавлять к продукту другие полезные элементы.

Получаемый с помощью настоящего изобретения твердый слиток может быть измельчен до любого желаемого размера с использованием любых известных специалистам способов измельчения. Это позволяет измельчать слиток вплоть до субмикронных частиц. Кроме того, крупные частицы моноксида ниобия или диоксида ниобия могут быть использованы в качестве абразивных сред для получения тонких порошков, не содержащих загрязнений, которые попадают из обычных абразивных сред.

Пример 1:

При испытании настоящего изобретения приготовляют смесь доступного для приобретения Nb₂O₅ 99,99% чистоты и доступного для приобретения порошка (50×80 меш США) трижды подвергнутого электронно-лучевому рафинированию и освобожденного от гидридов металлического ниобия, которую (смесь) формуют в виде бруска с помощью холодного изостатического прессования, хотя приемлемыми являются и другие средства уплотнения и образуемые посредством их формы. Приготовлены три бруска.

Плотные брикеты из Nb₂O₅ и металлического ниобия (массовое отношение 1:1,05) один за другим подают в зону плавления вакуумной электроннолучевой печи, где каждый из брикетов при нагревании электронным лучом претерпевает реакцию и ожижается, а жидкий продукт скапывает в охлаждаемую водой цилиндрическую медную форму. Сразу же после начального воздействия электронным лучом брикет начинает плавиться, что сопровождается лишь небольшим повышением давления в камере. В процессе опыта производительность легко достигает значения 45 кг/ч. Реакцию заканчивают перед тем, как будет израсходован последний брикет, оставляя на поверхности оставшегося брикета слой частично прореагировавших материалов.

Хотя в данном эксперименте была использована электронно-лучевая печь, специалистам в области металлургии очевидно, что могут быть использованы и другие источники энергии, способные нагревать материалы до, по меньшей мере, 1945°С, включая (но не ограничиваясь этим) холодно-тигельную вакуумно-индукционную плавку и электроимпульсный нагрев.

Способ настоящего изобретения создает возможность добавления к смесям перед их прессованием широкого ряда легирующих материалов, которые расплавляются с образованием жидкого расплава в процессе плавки и реакции. В число этих легирующих материалов входят (но не ограничивают этим) тантал, титан, ванадий и алюминий. Эти легирующие материалы могут добавляться в количествах до 40% мас. В то время как обычная задача легирующих материалов состоит в улучшении удельной емкости конденсаторных материалов, они могут давать и другие преимущества, например повышенную долговременную стабильность и уменьшенную утечку постоянного тока.

Еще одно преимущество настоящего изобретения относится к форме получаемого слитка. Соблюдая хорошо известные металлургические принципы, можно получить монокристалл или ориентированно затвердевший слиток, преимуществом которых может стать возможность их применения не только в области традиционных конденсаторных порошков.

Полученному слитку дают охладиться в вакууме, после чего устройство соединяют с атмосферой. Слиток представляет собой сплошной непористый цилиндр. Затем слиток разбивают с помощью удара. Образцы берут с верхушки слитка длиной 2,5 см ("верхушечные" образцы), а из ниже расположенных участков слитка на уровне его среднего радиуса отбирают "краевые" образцы.

Последующий рентгенографический анализ полученных образцов NbO дал чистую рентгенограмму для NbO без дополнительных линий, которые могли бы быть приписаны металлическому ниобию, NbO₂ или Nb₂O₃. На фиг.1 показаны рентгенограммы для NbO, полученного с помощью настоящего изобретения (фиг.1а, b), и NbO, полученного с помощью промышленной твердотельной реакции (фиг.1с). Продукт твердотельной реакции имеет множество линий, не принадлежащих NbO, что указывает на наличие других нежелательных фаз. Гравиметрический анализ показал, что в пределах точности анализа материал является стехиометрическим NbO.

Специалистам должно быть очевидно, что изменения в исходной порошковой смеси могут позволить получать не только высокочистый моноксид ниобия, но также и высокочистый диоксид ниобия и далее гомогенные смеси металлический ниобий/моноксид ниобия или моноксид ниобия/диоксид ниобия, как это иллюстрируется фазовой диаграммой (см. "Binary Alloy Phase Diagrams" (Фазовые диаграммы двойных сплавов), American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1990, стр.2749).

После этого слиток превращают в порошок с помощью традиционных методов дробления, помола и растирания. После дробления слиток измельчается до отдельных резко заостренных непористых фрагментов, как это иллюстрируется на фиг.2. Морфология этих фрагментов сохраняется и у индивидуальных частиц вплоть до субмикронных размеров. Полученный порошок NbO характеризуется Microtrac D50 2,38 μм и площадью поверхности BET 2,06 м/г. При формовании конденсаторных анодов в общепринятых условиях (напряжение формования 35 В, ток формования 150 мА/г, прокаливание при 1400°С) получаемые аноды характеризуются удельной емкостью при 2-вольтном напряжении смещения, равной 60,337 В/г, и утечкой постоянного тока 0,31 нА/В. Эти значения хорошо вписываются в нормальные пределы для промышленных конденсаторов, изготовленных из NbO, получаемого с помощью твердотельных реакций, а также для некоторых танталовых конденсаторов.

Пример 2:

Были проведены еще четыре эксперимента с использованием менее чистого сырья и с измененными размерами частиц исходного материала, используемого для изготовления брикетов. Во всех случаях продуктом был NbO, не содержащий ни других соединений, ни металлического ниобия. Это указывает на то, что способ изобретения является надежным и не зависит от конкретных источников оксидов или металлического ниобия. В одном из экспериментов используемый в качестве сырья технический пентоксид ниобия содержал приблизительно 400 м.д. железа, а металлический ниобий содержал менее 50 м.д. железа. После превращения сырья в NbO способом изобретения NbO был проанализирован и оказалось, что он содержит менее 100 м.д. железа. Это означает понижение железа во время процесса способом изобретения, по меньшей мере, на 50%. Способ изобретения предоставляет также возможность извлекать NbO, содержащийся в отходах порошкового производства продуктов NbO, поскольку рафинирующее действие настоящего изобретения может эффективно удалять или разбавлять большую часть загрязнителей, даже в том случае, когда эти загрязнители присутствуют в виде тонких или сверхтонких порошков или частиц.

Слиток NbO в каждом из этих четырех дополнительных экспериментов измельчали с помощью традиционного дробления, помола и растирания до среднего размера частиц менее 2,5 μм, формовали в аноды для испытаний и испытывали аноды на емкость и величину утечки тока. Результаты в каждом случае оказались близкими к начальным результатам, которые были описаны выше, в том числе для анодов, изготовленных из NbO, полученного из упомянутого выше сырья с высоким содержанием железа. Удельная емкость и утечка постоянного тока для порошков NbO, полученных из таких слитков, составили соответственно 69,200 В/г и 0,34 нА/В. В то время как обычно уровень железа считался бы слишком высоким для обеспечения хороших значений утечки постоянного тока, в описываемых примерах железо было равномерно перераспределено по частицам. Результатом этого перераспределения оказался очень низкий уровень железа на поверхностях частиц, благодаря чему железо не портит характеристик NbO в отношении утечки тока.

Пример 3:

Образование моноксида ниобия путем обработки в расплавленной фазе применимо для выделения и переплавки твердых материалов из моноксида ниобия в (но не ограничиваясь ими) порошке, микросхемах, твердых материалах, мелких металлических стружках и в шламах. Некондиционный порошок, повторно используемые конденсаторы и отходы производства порошка принадлежат к тем материалам, которые с помощью настоящего способа могут быть вновь превращены в полноценный моноксид ниобия. Из "отбросных" порошков NbO с различным размером частиц и различного типа производства изготовляли плотный брикет. Брикет подвергали реакции в расплавленном состоянии в электронно-лучевой печи, получая нормальный слиток NbO. Последующее тестирование слитка показало, что он неотличим по кристаллической структуре, чистоте и электронным характеристикам (удельная емкость, утечка постоянного тока) от предыдущих слитков, получаемых из высокочистых исходных материалов. Масс-спектрометрия в тлеющем разряде не обнаружила повышенных уровней загрязнения по сравнению с предыдущими "высокочистыми" слитками.

Пример 4:

Пентоксид ниобия и порошок металлического ниобия были смешаны в пропорциях, рассчитанных для получения диоксида ниобия, смесь была спрессована и подвергнута реакции в расплавленном состоянии в электронно-лучевой печи, как описано выше. Слиток был прочный, сплошной и не имел видимых дефектов. Взятый от этого слитка образец был подвергнут анализу для определения отношения кислорода к ниобию. В пределах точности анализа образец представлял собой стехиометрический NbO₂. NbO₂ теоретически содержит 25,13% мас. кислорода. Анализ NbO₂ данного примера показал 25,14% мас. кислорода.

Хотя изобретение было описано и проиллюстрировано конкретными иллюстративными воплощениями изобретения, это не предполагает того, что изобретение ограничено этими иллюстративными воплощениями. Специалисты должны иметь в виду, что, не выходя за пределы сути изобретения, в него могут быть внесены изменения и модификации. По этой причине предполагается, что все те изменения и модификации, которые охватываются прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами, включены в изобретение.

Изобретение может быть использовано при изготовлении электрических вентильных устройств. Способ получения порошка высокочистого моноксида ниобия (NbO) включает смешивание Nb₂O₃ с порошком или гранулами металлического ниобия в массовом отношении 2,5:1; формование этой смеси в плотный брикет; нагрев до достижения температуры выше 1945°С. Затем реакционную смесь отверждают с образованием блока, который измельчают до порошка моноксида ниобия. Реакцию можно проводить в электронно-лучевой, плазменно-дуговой, индукционной, электрообогреваемой или вакуумно-дуговой печи. В смесь можно дополнительно ввести возвратный моноксид ниобия, проволоку из ниобия или другие содержащие ниобий отбросные продукты. Полученный NbO является высокочистым по составу и кристаллографически, имеет достаточную площадь поверхности для использования в электронных устройствах. Изобретение также позволяет получить сплошные непористые слитки, которые могут быть измельчены до мелких непористых заостренных частиц. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Порошок высокочистого моноксида ниобия (NbO), получаемый способом, включающим

(a) смешивание (1) оксида ниобия, выбираемого из группы, включающей Nb₂O₃, и (2) металлического ниобия;

(b) формование названной смеси в плотный брикет;

(c) осуществление реакции в этой смеси с помощью источника тепла таким образом, чтобы достичь температуру выше 1945°С;

(d) отверждение реакционной смеси с образованием блока материала; и

(e) измельчение этого блока до образования порошка моноксида ниобия, причем массовое отношение Nb₂O₃ к порошку или гранулам металлического ниобия в смеси равно приблизительно 2,5:1.

(a) смешивание (1) оксида ниобия, выбираемого из группы, включающей Nb₂O₃, и (2) металлического ниобия, где оксид ниобия и металлический ниобий присутствуют в порошковой или гранулярной форме;

(b) формование названной смеси в плотный брикет;

(c) осуществление реакции в этой смеси с помощью источника тепла таким образом, чтобы достичь температуру выше 1945°С;

(d) отверждение реакционной смеси с образованием блока материала;

(e) измельчение этого блока до образования порошка моноксида ниобия, причем массовое отношение Nb₂O₃ к порошку или гранулам металлического ниобия в смеси равно приблизительно 2,5:1.

(a) смешивание (1) оксида ниобия, выбираемого из группы, включающей Nb₂О₃, и (2) металлического ниобия;

(b) формование названной смеси в плотный брикет;

(c) осуществление реакции в этой смеси с помощью источника тепла таким образом, чтобы достичь температуру выше 1945°С; и

d) отверждение реакционной смеси с образованием блока материала, причем массовое отношение Nb₂О₃ к порошку или гранулам металлического ниобия в смеси равно приблизительно 2,5:1.