APPLICAZIONI

 

Per la sua inerzia chimica e per l'alto costo il tantalio viene quasi esclusivamente utilizzato per la chiusura di piccole falle in recipienti smaltati resistenti agli acidi e utilizzati nell'industria chimica.

Infatti l’estrema resistenza del tantalio alla corrosione a temperature normali dovuta alla ricopertura con un sottile strato di ossido ne fanno un candidato ideale nella costruzione di impianti chimici particolari. La resistenza alle alte temperature e alla corrosione chimica dei materiali del tantalio ne rendono possibile il loro utilizzo per apparecchiature di elaborazione di prodotti chimici, nelle centrali nucleari e farmaceutiche. Il tantalio funziona infatti molto bene alle alte temperature ed alle concentrazioni chimiche e minimizza la contaminazione del prodotto. Le applicazioni includono i contenitori di reazione, i rivestimenti, i materiali di riparazione, i dispositivi di sicurezza e di strumentazione. Poiché il tantalio, come il niobio, è facilmente lavorabile, le parti possono essere progettate con sezioni trasversali sottili e con forme complicate.

Il tantalio offre un’alta conducibilità termica che è importante per le attrezzature di distillazione, per gli scambiatori di calore, per i condensatori, etc.

Fino al 1911 veniva utilizzato per produrre i filamenti delle lampade ad incandescenza prima di essere sostituito per gli usi generici dal tungsteno.

    

Figura 3: Da sinistra: pubblicità del 1905 di una lampada ad incandescenza con filamenti di tantalio, componente di una turbina ottenuta da un monoblocco di metallo e filo per suture

 

Essendo più resistente del platino a molti agenti corrosivi, il tantalio sostituisce questo metallo prezioso nei pesi standard e negli accessori da laboratorio.

Lo strato di ossido superficiale lo rende un ottimo isolante, e per questo viene impiegato nell'industria elettronica per produrre condensatori, nei circuiti elettronici e nei circuiti rettificanti a basso voltaggio, ma anche negli scambiatori di calore chimici.

Grazie all'estrema resistenza agli acidi e alla compatibilità con i tessuti del corpo, è usato negli strumenti chirurgici, ottici e dentari, e negli acciai per le placche ossee.

Il suo pentaossido è usato in lenti speciali per fotografia aerea in quanto incrementa l'indice di rifrazione del vetro.

Il carburo di tantalio viene usato per la fabbricazione di molti utensili.

Il tantalio è anche un componente indispensabile per la produzione missilistica e nucleare e per il settore aerospaziale. Assieme al niobio, infatti, viene usato nel campo aeronautico e per leghe aerospaziali. Nello specifico, viene adottato per costruire le palette delle turbine, e parti dei motori a propulsione. In queste applicazioni, le proprietà a temperatura elevata eccezionali di tantalio ed il niobio contribuiscono all’ integrità strutturale di tali elementi.

In più, l'uso dei condensatori del tantalio è prevalente nei sistemi elettronici per l’aeronautica.

A causa della combinazione unica di duttilità e di densità, il tantalio è il materiale di scelta per parecchi sistemi di arma avanzati.

Gli scienziati a Los Alamos hanno prodotto un materiale composito composto da grafite e carburo di tantalio. Esso sarebbe uno dei materiali più duri fatti mai e avrebbe un punto di fusione di 3738°C.

Ha guadagnato l'accettazione come materiale adatto per i filamenti dello spettrometro di massa che forniscono un'alternativa al renio, storicamente il solo materiale adatto.

La seguente tabella schematizza le applicazioni del tantalio e le principali caratteristiche:

Prodotti del tantalio

Applicazioni

Caratteristiche tecniche/Vantaggi

Carburo di tantalio

·         utensili da taglio.

·         aumento della deformazione ad alta temperature;

·         controllo dell’ingrossamento del grano.

Ossido di tantalio

·         obiettivi per macchine fotografiche;

·         pellicole per raggi X;

·         stampanti ad inchiostro.

·         alto indice di rifrazione per gli obiettivi;

·         il fosforo tantalato di yttrio riduce l'esposizione ai raggi X e migliora la qualità dell’ immagine;

·         resistenza all'usura. Condensatori integrati in circuiti integrati (Ics).

Polvere di tantalio

·         condensatori al tantalio per circuiti elettronici in apparecchi medici come protesi acustiche o pacemakers;

·         sistemi di protezione come l’airbag;

·         sistemi di accensione e di controllo del motore;

·         GPS;

·         sistemi ABS nelle automobili;

·         computer portatili, telefoni cellulari, Playstation, telecamere e macchine fotografiche digitali.

·         bassi casi di guasto;

·         funzionamento in un range di temperature da -55 a +125°C;

·         possono sostenere elevate forze di vibrazione;

·         grande affidabilità;

·         dimensioni ridotte.

Fogli, piastre, coni retinici e fili in tantalio

·         sputtering;

·         apparecchiature per processi chimici;

·         sistemi di protezione catodica per strutture in acciaio come ponti e serbatoi d’ acqua;

·         dispositivi prostatici, piastre per il cranio, suture, viti, dadi, bulloni resistenti a corrosione;

·         componenti per fornaci ad alta temperatura

·         leghe per turbine.

·         applicazioni in rivestimenti sottili di tantalio, di ossido o di nitruro del tantalio nei semiconduttori;

·         resistenza superiore alla corrosione;

·         equivalente al vetro in alcune applicazioni;

·         non avviene l’attacco da parte dei fluidi fisiologici;

·         il punto di fusione è sopra 3000°C, ma richiede un’atmosfera protettiva o alto vuoto;

·         leghe che contengono 3-11% di tantalio offrono un’elevata affidabilità alle alte temperature;

·         resistenza a corrosione da gas caldi..

 

Tabella 1: applicazioni e caratteristiche dei prodotti del tantalio

 

 

 

Figura 4: Otto diversi tipi di taglio del carburo di tantalio e attrezzi stridenti (sopra a sinistra), bobine di nastro di condensatori al tantalio (sopra a destra), tubi, lamiere e lamierini in tantalio (in basso)

 

Condensatori elettrolitici al tantalio

I condensatori sono fra i componenti più utilizzati nei circuiti elettronici. In funzione della tecnologia costruttiva e degli impieghi specifici, i condensatori si presentano nelle forme più diverse, dai grossi contenitori cilindrici degli elettrolitici da 10.000 e più µF alle minuscole pastiglie dei condensatori ceramici o alla forma a goccia di quelli al tantalio.

Che cos’è un condensatore?

Il condensatore è un dispositivo in grado di immagazzinare energia elettrica. La quantità di energia che si accumula in un condensatore dipende dalla sua capacità e dalla tensione di lavoro: se indichiamo con Q la quantità di carica, con C la capacità e con V la tensione, vale la formula

Q = C x V

Dal punto di vista fisico, un condensatore è costituito da due superfici metalliche (ovvero conduttrici), dette armature, separate da un isolante, che prende il nome di dielettrico; l'isolante può essere anche la semplice aria, il che equivale a dire che le due superfici metalliche si trovano una di fronte all'altra ma senza toccarsi. Quanto più sono estese le due superfici, tanto maggiore è la capacità; analogamente, la capacità è maggiore quanto più le due superfici sono vicine. La capacità dipende poi anche dall'isolante che si trova fra le due superfici: il valore più basso si ha quando c'è solo l'aria; se il dielettrico è costituito da altri materiali, la capacità aumenta in funzione del materiale, secondo una grandezza caratteristica di ciascun materiale, che viene detta "costante dielettrica relativa".

Tale costante si indica col simbolo εr ed è stabilito per convenzione che il suo valore per l'aria sia uguale a 1; se un condensatore le cui armature sono separate dall'aria ha una certa capacità, interponendo al posto dell'aria un dielettrico come la mica, la capacità del condensatore aumenta di circa 5 volte: si dice allora che la costante dielettrica relativa della mica ha valore 5.

Nella pratica i condensatori si realizzano avvolgendo insieme due sottili lamine metalliche, separate da un film plastico dello spessore di alcuni decimi di micron; quando si richiedono capacità molto elevate, invece del film plastico si usa come dielettrico uno strato di ossido, formato direttamente su una superficie metallica, ed un elettrolita come secondo elettrodo.

Condensatori elettrolitici

Figura 5: condensatori elettrolitici

Sono i più comuni. Nei condensatori elettrolitici il dielettrico è un sottilissimo strato di ossido, fatto formare direttamente sul metallo (l'alluminio) che fa da armatura e costituisce l'anodo; il tutto è immerso in un elettrolita che, essendo un sale disciolto, risulta conduttore. Il caratteristico involucro metallico di forma cilindrica che fa da contenitore, diventa, ai fini del collegamento elettrico, il terminale negativo ovvero il catodo. Proprio a causa della loro costituzione, i condensatori elettrolitici sono "polarizzati", il che vuol dire che devono necessariamente essere collegati ad una tensione continua, rispettando le polarità, positiva e negativa, indicate sull'involucro. Come gli altri tipi di condensatori, gli elettrolitici possono essere di tipo radiale (fig.: E.rad), con entrambi i terminali che escono dallo stesso lato, adatti ad un montaggio in verticale, oppure di tipo assiale (fig.: E.ax), con un terminale per lato, adatti al montaggio orizzontale. Una banda laterale indica la polarità di almeno uno degli elettrodi.

Gli elettrolitici sono condensatori di grande capacità, in grado di accumulare notevoli quantità di energia; per tale motivo trovano impiego principalmente negli alimentatori, per il livellamento della tensione e la riduzione del "ripple" (ovvero delle ondulazioni residue).

Figura 6 : varietà di condensatori al tantalio in chip (sopra), condensatore al tantalio  a goccia (sotto)

I condensatori elettrolitici al tantalio vengono prodotti con pastiglie porose ottenute pressando la polvere di tantalio macinata finemente. Le pastiglie vengono poi sinterizzate per aumentarne la stabilità meccanica e creare una struttura metallica dove lo strato di dielettrico in pentossido di tantalio (Ta205) può crescere per ossidazione anodica.

La capacità ottenibile dipende dalla costante dielettrica e dallo spessore dello strato di dielettrico. Finora era stato possibile ottenere valori CV più elevati grazie alla morfologia della polvere e ad un migliore utilizzo della custodia.

I condensatori al tantalio sono disponibili in due conformazioni (vedi figura 6):

Ø       in chip

Ø       a goccia incapsulati con resina epossidica (gialla) autoestinguente

Attualmente sono disponibili polveri di tantalio fino a 80 kCV /g, utilizzate però in commercio solo in custodie di piccole dimensioni. Il mercato richiede oggi condensatori elettrolitici sempre più piccoli e con valori CV sempre più elevati, ed è necessario orientarsi verso nuovi materiali di base, come il niobio. Le proprietà chimiche del niobio sono simili a quelle del tantalio, in quanto entrambi gli elementi fanno parte dello stesso gruppo nel sistema periodico degli elementi. Tuttavia il vantaggio maggiore del pentossido di niobio rispetto a quello di tantalio sta nel fatto che la costante dielettrica è molto più elevata (da 41 a 27).

 

Il tantalio nei cellulari

Il telefono cellulare non è altro che una radio che invia e riceve segnali lavorando a bassa potenza. Contiene una batteria, un piccolo microfono, un minuscolo altoparlante, un display a cristalli liquidi, una tastiera, un'antenna, usata per ricevere e trasmettere segnali e un quadro di circuiti (circuit board).

Alcune delle parti principali sono il microprocessore, il processore di segnali digitali (DSP), la "read-only-memory (ROM), i connettori, il settore di potenza della frequenza radio (RF) ed i chip della memoria flash. Ma i condensatori di tantalio e anche altri condensatori passivi sono gli elementi cruciali.

I condensatori di tantalio sono utilizzati come accumulatori di energia, pronti all'uso quando sopravvenga una forte ondata di energia verso un telefono cellulare. Questi componenti aiutano a fornire quell'energia extra per il telefono, che la batteria non può fornire da sola.

I nuovi telefoni sono piccoli grazie all'utilizzo di alcuni metalli, quali il rame, il nichel, il palladio, l'oro, il tantalio, che aiutano a ridurre le dimensioni di un telefono cellulare. Per esempio il tantalio, una polvere compatta utilizzata nella costruzione di condensatori passivi, che regolano il voltaggio alle alte temperature, negli ultimi anni è stato un fattore chiave nella riduzione delle dimensioni dei telefoni mobili. Questa polvere rara e costosa viene utilizzata per costruire i condensatori che regolano il voltaggio alle alte temperature

Il tantalio mette in evidenza l'importanza che questi metalli hanno nella composizione dei prodotti della "new economy", non solo dei telefoni mobili, ma anche dei computer portatili, delle console dei giochi e di altri congegni elettronici in cui la dimensione è prioritaria.

Dal momento che i telefoni cellulari non sono ancora riciclabili, i fabbricanti non possono riutilizzare i metalli rari per i telefoni futuri. Ma ci sono dei progetti in corso per permettere un riciclaggio limitato.

 

Il tantalio nel metallo duro

Il Metallo Duro è costituito da particelle di carburo di tungsteno per sinterizzazione unite da un legante metallico. La percentuale di carburo di tugsteno è generalmente compresa tra 70-97% del peso totale del composto e la dimensione media della sua grana è tra 0.2 e 14 µm(micron).

Il Carburo di tungsteno(WC), lo stadio duro, insieme al cobalto(Co), lo stadio legante, formano la struttura basilare del metallo duro a partire dalla quale altri tipi di metalli duri sono stati sviluppati. In aggiunta al primo carburo di tungsteno – di composizione cobaltica- il metallo duro può contenere svariate proporzioni di carburo di titanio(TiC), carburo di tantalio(TaC), e carburo di niobio(NbC).

Questi carburi sono comunemente solubili e possono dissolvere un'alta proporzione di carburo di tungsteno.

Inoltre, essi sono prodotti che hanno nella fase di agglomerazione il cobalto legato con, o completamente sostituito da, altri metalli come il nichel(Ni), il cromo(Cr), il molibdeno(Mo), il ferro(Fe), o composti di questi elementi.

Perciò, ci sono tre fasi individuali che producono il metallo duro. In termini di metallurgia, la fase del carburo di tungsteno(WC) è definita come la fase α (alpha), la fase di legante (per esempio Co, Ni, etc...) come la fase β (beta), e ogni altra singola combinazione di fasi di carburi(TiC,Ta/NbC etc...) come la fase γ (gamma).

Il numero di durezza vickers di queste leghe è dell'ordine di 1.600. Queste leghe servono in particolare per la fabbricazione di utensili da taglio (la cui durata è, a parità di condizioni di lavoro, dieci volte superiore a quella di un acciaio rapido), nonché per quella di utensili da perforazione, filiere da trafilatura, stampi di sinterizzazione, attrezzi sottoposti a notevoli sforzi di usura.

 

Saldature

Il tantalio può essere saldato a molti altri metalli. Ciò può essere compiuto tramite la saldatura a resistenza, la saldatura con elettrodo in tungsteno a protezione di gas inerte, la saldatura al plasma e la saldatura a fasci elettronici.

Con certi metalli è probabile la formazione di fasi intermetalliche fragili e questo dev’essere evitato per non compromettere l’integrità della saldatura.

Le superfici, che devono essere riscaldate sopra i 300°C, dovrebbero essere protette da un gas inerte quale argon o elio per impedire l'infragilimento.

L'elio, l'argon o una miscela dei due gas genera un atmosfera che impedisce l'infragilimento da assorbimento di ossigeno, di azoto o di idrogeno nel metallo riscaldato. Dove è fornita un’atmosfera pura e inerte, la zona di fusione e la zona adiacente saranno duttili.

Il tantalio può anche essere saldato tramite la saldatura ad arco sotto gas inerte

La saldatura a resistenza può essere realizzata con apparecchiature convenzionali. I metodi applicati non sono sostanzialmente differenti da quelli usati nella saldatura degli altri materiali. Poiché il punto di fusione è 2700°F, superiore a quello dell'acciaio, e la resistività è soltanto due terzi di quella dell'acciaio, il tantalio richiede una più alta alimentazione per essere saldato efficacemente.

La durata della saldatura dovrebbe essere il più breve possibile, cioè da 1-10 fino a 60 cicli al secondo, per impedire un eccessivo riscaldamento.

Le saldature forti e duttili possono essere fatte con il metodo dell’ elettrodo in tungsteno a protezione di gas inerte (TIG).

 

Applicazioni nella chirurgia dell'anca

La necessità di reintervenire per rimuovere la protesi non più funzionale e sostituirla con una nuova obbliga a ricorrere a modelli particolari di protesi appositamente realizzati per le riprotesizzazioni

Le artroprotesi di anca costituiscono oggi una soluzione chirurgica estremamente affidabile nei confronti del danno che questa articolazione, fondamentale per la deambulazione, subisce a causa di artrosi, artriti e altre malattie. I risultati soddisfacenti, a distanza di dieci anni dall'intervento, si attestano intorno al 95% per gli interventi effettuati nei centri altamente specializzati. Si tratta infatti di una chirurgia superspecialistica che richiede grande esperienza.

La riprotesizzazione dell'anca con l'ausilio del tantalio, è la nuova frontiera della chirurgia ortopedica dell'anca.

L'impiego di un nuovo materiale altamente biocompatibile, il tantalio, nella riprotesizzazione dell'anca consiste nell'intervento di sostituzione di una protesi precedentemente applicata all'anca e non più perfettamente funzionante. Gli interventi di riprotesizzazione impongono una tecnica chirurgica ancora più delicata di quella necessaria al momento del primo intervento e ancor più circoscritta a centri di alta specializzazione.

I vantaggi del tantalio che è un metallo simile al titanio, consistono nella sua leggerezza, nella particolare lavorazione a spugna e nella elevata compatibilità con i tessuti umani. Queste caratteristiche determinano una rapida e completa crescita di osso attorno alla protesi, senza bisogno di un ulteriore materiale di collegamento, il cosiddetto cemento. Una protesi così fissata all'osso ha maggiori probabilità di durata nel tempo.

Le caratteristiche del tantalio che consentono di utilizzate questo materiale nel settore ortopedico sono :

Ø       durezza;

Ø       resistenza a corrosione;

Ø       inalterabilità agli agenti chimici;

Ø       porosità all’80% molto simile al tessuto osseo spugnoso;

Ø       stessa elasticità del perone ma maggiore resistenza;

Ø       buon ancoraggio ai tessuti molli;

Ø       consente la ricrescita ossea;

Ø       diffusione degli antibiotici e dei fattori di sviluppo;

Ø       ridotta complessità tecnica.

 

Figura 7: protesi di 10mm di diametro, lunghezza dai 70 ai 130mm (in alto) e sua applicazione (in basso a destra). Porosità regolare nella forma nella lavorazione a spugna.

 

 

Sostituti e fonti alternative

Il colombio può essere usato al posto di tantalio per preparare i carburi. Il colombio, l'afnio, l'iridio, il molibdeno, il renio ed il tungsteno possono essere adoperati per utilizzi a temperatura elevata. L'alluminio e la ceramica possono sostituire di tantalio nei condensatori elettronici. Il problema è, tuttavia, che la maggior parte di questi sostituti non sono efficaci quanto il tantalio in alcune di queste applicazioni.

 

 

 

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