Вторник, Октябрь 04, 2022
Танталовы муки XXI века

24.06.2022

Экология / Мировая практика

Танталовы муки XXI века

Почему тантал называют «конфликтным» металлом

От редакции. 

При слове тантал мозг автоматически выдаёт идиоматическое выражение «танталовы муки». Проще говоря, это сильные мучения из-за невозможности получить желаемое. Или синоним русской поговорки: «Видит око, да зуб неймёт». Согласно греческой мифологии, Тантал был сыном Зевса, прогневал его самыми разными грехами и был осуждён на жестокие испытания.

Например, Тантал в подземном царстве стоял по горло в воде, но не мог пить. Как только он открывал рот, то вода утекала вниз, и Тантал не мог дотянуться, чтобы напиться. Рядом с ним росли плоды с фруктовых деревьев, но когда Тантал протягивал руку, то ветки с плодами сами отклонялись от него. В общем, Танталу приходилось несладко, как, собственно, и всем, кто каким-то образом насолил Зевсу.

Как бы то ни было, металл тантал назвали именно в честь этого мифологического персонажа. Шведский учёный Андерс Экеберг, который его открыл, так и написал: «Этот металл я называю танталом. Отчасти это намёк на его неспособность при погружении в кислоту поглощать что-либо и насыщаться».

Отраслевой портал Techniques de L'ingénieur (Франция) публикует материал о тантале и о том, почему он в некотором смысле унаследовал конфликтные черты своего мифического прародителя. Приводим перевод этого материала.


Ни поесть, ни попить. Мифологическому Танталу приходилось сильно страдать от голода и жажды.

Тантал — серебристо-белый металл со свинцовым оттенком. В его руде часто содержатся примеси других элементов, в частности ниобия (известного и как колумбий). Такой минерал, колтан или колумбит-тенталит, включён в составленный ЕС и США перечень стратегически важных материалов.

Тантал принадлежит и к группе так называемых «конфликтных минералов». Невзрачный на вид металл, название которого связано с древнегреческой мифологией, привлекает к себе пристальное внимание целого ряда государств и становится для них «яблоком раздора». Какими же особыми свойствами он обладает?


Внешне тантал выглядит совсем неказисто, но обладает большой ценностью.

Незаменимый элемент для высокотехнологичных производств

Тантал, мировые объёмы добычи руды которого существенно ниже (≈1800 т/г.), чем меди (≈20,9 млн т/г.) или железа (≈2,5 млрд т/г.), тем не менее рассматривается как металл, имеющий стратегическое значение. 

Уникальные свойства этого химического элемента позволили выполнить из него миниатюрные конденсаторы, нашедшие сегодня использование в смартфонах, ноутбуках, цифровых камерах и другой высокотехнологичной электронной аппаратуре. 

Следовательно, тантал является одним из важнейших элементов происходящей цифровой революции.


Конденсаторы в смартфонах и ноутбуках делаются из тантала.

Механические свойства и жаропрочность тантала делают его незаменимым при производстве твёрдых сплавов, металлорежущего оборудования и зубоврачебного инструмента, а биосовместимость — для изготовления разного рода имплантов.

Самыми крупными потребителями тантала являются электронная промышленность (конденсаторы, проводящие слои в телевизорах с плоским экраном, печатающие головки принтеров, USB-флешки) и аэрокосмическая, где применяются запатентованные суперсплавы таких серий, как Monel (R), Inconel (R), Incoloy (R), Waspaloy (R).


Биосовместимость тантала позволяет использовать его при производстве разного рода имплантов.

Уникальность свойств тантала подтверждается его использованием, например, в производстве таких исключительно ответственных компонентов реактивных авиационных двигателей, как диски ротора и лопатки турбин. Их изготавливают из сплава никеля и хрома Inconel 718 с добавлением 5% тантала/ниобия.

Турбины реактивного самолёта испытывают высокие механические и термические нагрузки, поскольку через них проходят раскалённые до 1200 °С газы под давлением, которое может достигать 1370 бар (в качестве сравнения: атмосферное давление составляет примерно 1 бар). Эти нагрузки вызывают усталость материалов, проявляющуюся в их необратимой пластической деформации, окислении и коррозии. 

Последние два процесса являются следствием химических реакций, которые изменяют поверхностный слой (а иногда и внутреннюю структуру) материалов, что делает их более хрупкими и способно со временем привести к разрушению.

Тантал в данном случае используется как присадка, которая, будучи добавлена в небольших количествах в сплав никеля и хрома, повышает его прочность, а также устойчивость к горячей коррозии (химическая реакция при высоких температурах, формирующая расплав соли, который разрушает материал). 

Таким образом, тантал, повышая сопротивляемость материала высоким температурам и давлению, делает суперсплавы пригодными для применения в аэрокосмической промышленности.


Сплавы из тантала используются в аэрокосмической промышленности. Например, в турбинах реактивных самолетов.

Металл, порождающий конфликты

Месторождения тантала имеются в целом ряде стран: Австралии, Бразилии, Канаде, Китае и множестве государств Африки, в том числе Демократической Республике Конго и Руанде. Конго является крупнейшим поставщиком тантала (от 70 до 80%) на мировой рынок. 

Однако месторождения здесь разрабатываются кустарным способом, лопатами и кирками, а тяжелейшие условия труда взрослых и даже детей (что запрещено международным правом) стали объектом расследования многих организаций и журналистов.

К тому же, по имеющейся информации, доходы, получаемые от добычи тантала на рудниках Конго, идут на закупку оружия, с помощью которого вот уже около 20 лет ведутся конфликты, чьими жертвами в первую очередь становится мирное население. По этой причине тантал наряду с оловом, вольфрамом и золотом называют металлом, порождающим конфликты.


Месторождение тантала в Бразилии.

Существует ли альтернатива танталу?

Хотя химические свойства ниобия и тантала очень близки (среди прочего, у них одинаковая степень окисления и радиус иона), они не взаимозаменяемы, по крайней мере, в сплавах на основе никеля. Действительно, ниобий и тантал играют, как правило, разную роль на уровне кристаллической решетки суперсплавов. К тому же при соединении ниобия с никелем возникает упрочняющая γ'-фаза, величина которой должна контролироваться.

Таким образом, как представляется, трудно заменить тантал в составе суперсплавов, применяемых сегодня в индустрии и, в частности, аэрокосмической промышленности. Та же ситуация с использованием тантала в микроэлектронике.

Напротив, есть способы вывести тантал из группы «конфликтных минералов». Для этого потребуются новые химические способы обработки руды, которые, во-первых, не наносили бы такой ущерб здоровью людей и окружающей среде, как применяемые (основаны на использовании жидких смесей, включающих чрезвычайно агрессивную плавиковую кислоту) в настоящее время, а во-вторых, позволили бы вести разработку месторождений тантала за пределами Конго. 


Ученые думают над новыми способами производства тантала, которые были бы менее вредны для экологии.

Примером такой альтернативы служит основанный на технологии гидрометаллургии так называемый «процесс Мабумин», который был разработан исследовательским подразделением французской горнодобывающей компании Eramet в сотрудничестве с Парижской высшей школой промышленной физики и химии. Те же задачи решает международная некоммерческая ассоциация Prometia.

Другой вариант действий в стиле инноваторов, исповедующих принцип DeepTech, — изменение самой парадигмы и создание принципиально новых материалов или концепций для производства товаров с привычным нам функционалом. 

Такое предложение выглядит насколько радикальным, настолько и логичным, учитывая прогнозы, согласно которым запасы тантала на планете будут исчерпаны к 2038 году. Реализация этого плана позволила бы решить все обозначенные выше проблемы.

Больше оперативных новостей читайте в Telegram-канале @ПРОметалл.

Теги: редкоземельные металлы, Африка, США

Последние публикации

04.10.2022

Индия ищет замену литию в аккумуляторах
Ola Electric уже работает над созданием альтернативного материала

03.10.2022

Стройматериалы посыпались
Цены на них в России продолжают снижаться, а рынок недвижки стагнирует

03.10.2022

Искусство на грани фантастики
Чем знаменит кузнец-художник Владимир Каноник

30.09.2022

Китай преодолел стагнацию рынка
Индекс деловой активности начал расти