3 أشياء مهمة عن مكثف التنتالوم 3 أشياء مهمة عن مكثف التنتالوم

مقدمة

التنتالوم (Ta) هو معدن انتقالي نادر وصلب ورمادي مائل إلى الأزرق الرمادي ولامع ومقاوم للتآكل وموصل للحرارة والكهرباء. ويتمتع بحصانة ممتازة ضد التآكل المائي العدواني تحت 150 درجة مئوية. ونظرًا لخصائصه الفيزيائية والكيميائية الجيدة، يُستخدم التنتالوم بشكل رئيسي في مجال الإلكترونيات والسبائك وغيرها من المجالات. ويوضح الشكل 1 شحنات منتجات التنتالوم في عام 2016 [1]. يُستخدم معظم التنتالوم في المكثفات كأنودات تنتمي إلى الإلكترونيات، ويستخدم التنتالوم بشكل رئيسي في السبائك والمواد الكيميائية وأهداف الرش . في عام 2021، يأتي حوالي 70% من الطلب على التنتالوم من صناعة الإلكترونيات: أنودات المكثفات، وأهداف أشباه الموصلات، وبطانات التلبيد للأنودات [2]. لنتحدث أولاً عن مكثفات التنتالوم.

الشكل 1: شحنة منتجات التنتالوم في عام 2016 [1]

كيف يُصنع مكثف التنتالوم؟

تمامًا مثل المكثفات الأخرى، يحتوي مكثف التنتالوم على 3 مكونات: أنود وكاثود وبعض الإلكتروليت. يستخدم مسحوق التنتالوم النقي والأسلاك لصنع جزء الأنود.

من خلال ضغط مسحوق التنتالوم حول سلك التنتالوم، نحصل على شكل "بيليه" من التنتالوم. ثم يتم تلبيد الحبيبات عند درجة حرارة تتراوح بين 1200 و1800 درجة مئوية لإزالة الشوائب. خلال هذه العملية، يأخذ المسحوق أيضًا بنية مسامية، والتي يمكن أن تزيد من قيمة السعة. وبعبارة أخرى، تتمتع مكثفات التنتالوم بقيمة سعة/حجم أعلى مقارنةً بالمكثفات الأخرى مثل مكثفات الألومنيوم.

بعد التلبيد، يتم تشكيل عازل خارج أسطح جسيمات التنتالوم عن طريق تحويل طبقة التنتالوم الخارجية إلى Ta2O5. وتسمى هذه العملية الأنودة. ويرتبط سمك العازل الكهربائي ارتباطاً مباشراً بمقاومة الجهد للمكثفات. يجب أن يكون لكل مكثف سمك طبقة أكسيد بهامش أمان للتأكد من الأداء الوظيفي الموثوق به.

الخطوة الأخيرة هي إضافة كاثود خارج العازل الكهربائي. تستخدم مكثفات التنتالوم الرطبة إلكتروليت سائل لغمر جزء التنتالوم وتغطي العلبة مكثفات التنتالوم الرطبة. تعمل الضميمة والإلكتروليت السائل ككاثود في مكثف التنتالوم الرطب. أما بالنسبة لمكثف التنتالوم الصلب، فإن غمس الأنود في محلول Mn(NO3)2 والخبز عند درجة حرارة 250 ℃ تقريبًا سيسمح بتكوين طبقة MnO2 خارج العازل الكهربائي. كرر ذلك عدة مرات حتى تتشكل طبقة MnO2 سميكة بما فيه الكفاية خارج "الحبيبات". ثم اغمسها في الجرافيت والفضة لإعطاء توصيل جيد من كاثود MnO2 إلى نهاية الكاثود الخارجي. الشكل 2 يعطيك الشكل 2 عرضًا أكثر إيجازًا لمكثف التنتالوم الصلب.

الشكل 2: مقطع عرضي لمكثف التنتالوم الصلب

مزايا مكثف التنتالوم وعيوبه

المزايا

تتميز مكثفات التنتالوم بخصائص تردد فائقة وعمر افتراضي أطول مقارنةً بمكثفات الألومنيوم أو مكثفات السيراميك. كما أن مقاومتها المتسلسلة المكافئة أصغر أيضًا، مما يعني أن التيارات الأكبر يمكن أن تمر عبر المكثف بحرارة أقل. والأكثر من ذلك، توفر مكثفات التنتالوم أعلى سعة لكل حجم، كما ذكرنا من قبل. وبفضل هذه المزايا، تحظى مكثفات التنتالوم بشعبية كبيرة في المجالات الإلكترونية مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية وما إلى ذلك.

العيوب

ومع ذلك، لا تُستخدم مكثفات التنتالوم على نطاق واسع مثل مكثفات الألومنيوم أو المكثفات الخزفية متعددة الطبقات (MLCCs) أو حتى مكثفات النيوبيوم. أحد الأسباب هو أن إمدادات معدن التنتالوم وأسعاره غير مستقرة. في بعض الحالات، يبدأ الناس في استخدام مكثفات MLCCs لاستبدال مكثفات التنتالوم الصغيرة، ومكثفات الألومنيوم لاستبدال مكثفات التنتالوم الكبيرة.

ونظراً لأنها مستقطبة، لا يمكن استخدام مكثفات التنتالوم إلا في التيار المستمر بخلاف التيار المتردد. بالإضافة إلى ذلك، عندما تتلامس الأنودات مع كاثودات MnO2 أثناء ارتفاع الجهد، قد يكون لمكثفات التنتالوم وضع فشل خطير، مثل التفاعل الكيميائي الذي ينتج عنه دخان ولهيب. لمنع ذلك، يجب استخدام مكثفات التنتالوم مع محددات التيار أو الصمامات الحرارية معًا.

تطبيقات مكثفات التنتالوم

تُستخدم مكثفات التنتالوم بشكل أساسي بسبب سعتها/حجمها الأعلى، وثباتها الجيد، وخصائص التردد الفائقة. يمكن استخدام مكثفات التنتالوم لتحل محل الألومنيوم الإلكتروليتي في التطبيقات العسكرية بسبب ثباتها في السعة بمرور الوقت. تستخدم الإلكترونيات الطبية أيضًا مكثفات التنتالوم لهذه الميزة. ومن بين المنتجات الإلكترونية، تستخدم أجهزة الكمبيوتر المكتبية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة أكبر كمية من مكثفات التنتالوم. ومن المدهش أن الهواتف الذكية والهواتف المحمولة تستخدم كميات قليلة جدًا من مكثفات التنتالوم بالمقارنة.

إعادة تدوير التنتالوم

مع تزايد استهلاك منتجات التنتالوم، يتم إنتاج الكثير من النفايات التي تحتوي على التنتالوم بكميات كبيرة. وقد زادت نفايات الإنتاج أثناء تصنيع السبائك الفائقة وأهداف الاخرق ومخلفات نهاية العمر الافتراضي من الصناعة الإلكترونية بشكل كبير. وفي المقابل، تصبح الفجوة بين الطلب والعرض من التنتالوم أكبر وأكبر. ولسد هذه الفجوة، بدأت إعادة تدوير نفايات التنتالوم في التطور مرة أخرى.

يمكن تقسيم إعادة التدوير إلى قسمين: إعادة التدوير قبل الاستهلاك وإعادة التدوير بعد الاستهلاك [3]. يتم إعادة تدوير معظم التنتالوم من خردة ما قبل الإنتاج بسبب انخفاض تلوثه وصعوباته المنخفضة. يمكن أن تؤدي إعادة التدوير قبل الاستهلاك إلى تحسين كفاءة عملية الإنتاج الكلية مع توليد النفايات المعدنية. تركيز التنتالوم وتكلفة التنظيف والحجم والاقتصاد هي العوامل الرئيسية التي تؤثر على استراتيجيات إعادة التدوير.

لم يتم تطوير إعادة التدوير بعد الاستهلاك للتنتالوم بشكل جيد للغاية بسبب انخفاض تركيز التنتالوم مقارنة بالمعادن الأخرى مثل النحاس والذهب، كما أن التنتالوم لا يتسم بالتركيز العالي مقارنةً بالمعادن الأخرى مثل النحاس والذهب، كما أن التنتالوم لا يتسم بالتركيز العالي. بالنسبة لمنتجات التنتالوم البيروميتالورجية، فإن عملية إعادة تدوير التنتالوم بعد الاستهلاك معقدة للغاية. وتجعل مكثفات التنتالوم الأصغر حجمًا هذا الوضع أكثر سوءًا. وينبغي إجراء المزيد من الأبحاث لابتكار طريقة اقتصادية وصديقة للبيئة لإعادة تدوير منتجات التنتالوم بعد الاستهلاك.

الاقتباس

1. Agrawal, M., Singh, R., R., R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). اتجاهات السوق العالمية للتنتالوم وطرق إعادة التدوير من مكثفات نفايات التنتالوم: مراجعة. المواد والتقنيات المستدامة، 29, e00323.
2. زغبي، د. م. (2021، 10 مايو). سلسلة توريد التنتالوم: تحديث السوق العالمية لعام 2021. TTI, Inc. تم الاسترجاع 4 يناير 2023، من https://www.tti.com/content/ttiinc/en/resources/marketeye/categories/passives/me-zogbi-20211005.html
3. Agrawal, M., Singh, R., R., R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). اتجاهات السوق العالمية للتنتالوم وطرق إعادة التدوير من مكثفات نفايات التنتالوم: مراجعة. المواد والتقنيات المستدامة، 29, e00323.