Trabalho de Materiais Metálicos - LIGAS DE TÂNTALO

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
LIGAS DE TÂNTALO 
2022
10
LIGAS DE TÂNTALO 
Trabalho elaborado como método de avaliação da disciplina Materiais Metálicos do curso de Engenharia de Materiais da Universidade Federal do Piauí – UFPI
2022
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO................................................................................................4
2. OBJETIVOS ...................................................................................................5
 2.1 OBJETIVO GERAL...................................................................................5
 2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO..........................................................................5
3. REFERÊNCIAL TEÓRICO..............................................................................5
4. DESENVOLVIMENTO.....................................................................................6
 4.1 MINERAIS DE ORIGEM E PROCESSO DE OBTENÇÃO........................7
 4.2 PRINCIPAIS PROPRIEDADES.................................................................9
 4.3 APLICAÇÕES..........................................................................................10
 4.4 DISPONIBILIDADE MUNDIAL DE TÂNTALO.........................................11
 4.5 NOVAS TECNOLOGIAS..........................................................................11
5. CONCLUSÃO ...............................................................................................12
6. REFERÊNCIAS.............................................................................................12
1. INTRODUÇÃO
O cientista sueco Anders Gustaf Ekerbeg (1767-1813) descobriu em 1802 um novo metal conhecido atualmente como tântalo (Ta), ele conseguiu tal feito ao começar a estudar minerais em regiões da Suécia, mais especificamente na vila de Ytterby. No mesmo ano, Ekeberg fez o registro de suas descobertas à revista francesa Annales de Chimie, assim sendo posto como o descobridor do elemento químico de número atômico 73 da Tabela Periódica (Friend J.N.; manandthechemicalelements, Griffin, London, 1951). O seu nome é proveniente de uma figura da mitologia grega chamada Tântalo (filho de Zeus), que foi castigado pelo deuses a ficar eternamente com sede e fome imerso em água até o pescoço, ficando em baixo de uma árvore cheia de frutos. No momento em que ele tentava beber ou comer não conseguia pois a água secava e os galhos com os frutos se movimentavam para longe. Essa história corresponde ao fato do elemento tântalo ter a capacidade de ser não reativo em meio ácido, ou seja, estar na presença de outros reagentes e sem sofrer uma grande modificação. Já o cientista que isolou pela primeira vez este elemento foi Jon Berzelius em 1820, e o químico Jean Charles Galissard de Marignac foi quem classificou o nióbio (Nb) e o tântalo como elementos diferentes na tabela periódica, pois até 1844 acreditava-se que estes dois elementos eram idênticos. Outro cientista crucial na história desse elemento foi o químico alemão Werner von Bolton (1868-1912), que em 1903 desenvolveu o refino do metal através de fornos a arco elétrico sob vácuo e transformou o pó metálico em filamentos (NOVAIS, Stéfano Araújo. "Tântalo (Ta)"; Brasil Escola). Anos depois, o tântalo metálico começou a ser usado como filamento de lâmpadas elétricas por conta do seu alto ponto de fusão (3017°C), fazendo assim a substituição dos filamentos de carbono, que são bastante frágeis. Atualmente, o Ta é definido como um elemento metálico encontrado em baixa concentração na crosta terrestre, mais especificamente no minério tantalita (Fe, Mn)O·Ta2O4, e também no minério columbita (Fe, Mn)O·(Nb, Ta)2O4, porém em menor concentração (Friend J.N.; manandthechemicalelements, Griffin, London, 1951). Algumas de suas ligas são a liga de carbeto de tântalo (TaC) e a liga deTa-Ni (tântalo-níquel) que serão descritas no capítulo 3.3.
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo deste trabalho propõe o estudo e conhecimento sobre o titânio e suas ligas, visando a apresentação do seu modo de obtenção, processos, propriedades e suas aplicações em diversas áreas industriais e comerciais.
2.2 OBJETIVO ESPECIFÍCO
Além de atingir o objetivo principal do trabalho, certos objetivos específicos são exibidos, como a origem, conceitos, características, disponibilidade e produção mundial das ligas de tântalo.
3. REFERENCIAL TEÓRICO
Estudar sobre as ligas de tântalo pode ser um meio para o desenvolvimento de novas tecnologias em diversas áreas, principalmente no ramo de smartphones e computadores, pois esse material permite a criação de capacitores menores do que os capacitares tradicionais por apresentar certas propriedades desejáveis que esses chips precisam ter. Segundo NOVAIS as propriedades que se destacam no Ta são:
Sua grande inércia química, resistência mecânica, além de seu alto ponto de fusão (o terceiro maior entre os metais da Tabela Periódica). Já o óxido de tântalo se destaca por causa de suas excelentes propriedades elétricas (sua capacitância, especificamente).
Para Sousa et al. (2013, p. 343), o elemento metálico tântalo é encontrado em baixíssima concentração na crosta terrestre, predominantemente no minério tantalita, (Fe, Mn)O·Ta2O4, ou, em menor concentração, no minério columbita (Fe, Mn)O·(Nb, Ta)2O4. Sua história encontra-se vinculada à do nióbio, uma vez que esses elementos tendem a ser encontrados juntos na natureza, sendo, portanto, suas descobertas realizadas na mesma época, mas curiosamente por pesquisadores de diferentes países.
Como o Ta não é encontrado na sua forma pura, ou seja, o minério apresenta outros elementos químicos, principalmente o nióbio, de acordo com Ayanda e Adekola (2011, p. 246):
A separação do nióbio do tântalo foi muito difícil devido às semelhanças químicas de seus óxidos e devido aos seus raios atômicos quase idênticos. Por muitos anos, a tecnologia comercial para separar o tântalo do nióbio envolveu a cristalização fracionada de potássio heptafluorotantalato longe do monohidrato de oxipentafluoroniobato de potássio, um processo descoberto por Jean Charles Galissard de Marignac em 1866. O método foi suplantado por extração de solvente de soluções contendo flúor.
Após o tântalo passar por algumas etapas de separação para obter a liga na sua forma desejada referente a área da sua aplicação, ainda segundo Ayanda e Adekola (2011, p. 255), eles concluem que a extração e separação de nióbio e tântalo por extração com solvente provou ser:
Simples, rápido e muito eficiente. A extração por solvente é amplamente aplicada na purificação processos em indústrias químicas e metalúrgicas e também fornece extração seletiva e recuperação de nióbio e tântalo de solução aquosa. A presente revisão também mostra que a extração e separação de nióbio e tântalo de seus minérios envolve a tratamento de ruptura da fonte, extração e separação por meio de vários experimentos condições, precipitação, filtração, lavagem, secagem e calcinações. Outras técnicas como técnicas de separação por gravidade, magnética e eletrostática podem ser acopladas como adjuvantes para obter uma nióbio e tântalo mais puros.
É visto então que depois da separação com outros elementos químicos, o tântalo pode ser usado em diversas campos industriais como na fabricação de fornos de alta temperatura, além de próteses e outros equipamentos cirúrgicos. Seus compostos são utilizados em diversos setores da indústria, como o aeroespacial, o automobilístico, o de eletrônicos, entre outros (NOVAIS, Stéfano Araújo. "Tântalo (Ta)"; Brasil Escola).
4. DESENVOLVIMENTO
4.1 MINERAIS DE ORIGEM E PROCESSO DE OBTENÇÃO
Na crosta terrestre o Ta é encontrado em cerca de 1,7 ppm (partes por milhão, mg.kg-1), enquanto nas águas do mar é estimado um valor de 0,002 ppb (partes por bilhão, mg.t-1), tornando assim um elemento metálico relativamente raro no planeta Terra (Novais,Stéfano Araújo. "Tântalo (Ta)"; Brasil Escola). Como foi descrito, o tântalo é normalmente encontrado com outros tipos de elementos, como é no caso dos minérios de tantalita e columbita, que além de apresentarem o tântalo na sua composição, também encontram-se o ferro (Fe), manganês (Mn), oxigênio (O) e nióbio. Referente aos processos de obtenção, existe uma técnica de separação que consiste na utilização do metil-isobutil-cetona em meio ácido (Ayanda, JournalofMinerals&MaterialsCharacterization&Engineering, 2011). Esse método possibilita o isolamento do pentóxido de tântalo (Ta2O5) que posteriormente pode ser reduzido pelo alumínio (aluminotermia), produzindo tântalo e óxido de alumínio. Com isso, a reação é representada da seguinte forma:
3 Ta2O5 + 10 Al → 6 Ta + 5 Al2O3
Outro procedimento de obtenção do tântalo tendo como fundamento a mistura dos óxidos Nb2O5 e Ta2O5 com base fundida é através do aproveitamento de sua maior basicidade. Nesse caso, é preciso usar uma solução aquosa com concentração controlada de HF e KF, formando K2(NbOF5) e K2(TaF7), sendo o primeiro mais solúvel em água (Novais, Stéfano Araújo. "Tântalo (Ta)"; Brasil Escola). Mais precisamente é realizado um tratamento de degradação, onde os óxidos mistos de nióbio Nb2O5 e de tântalo Ta2O5 são adquiridos. Analisando a primeira etapa do processamento é visto uma reação entre esses óxidos e ácido fluorídrico:
Ta2O5 + 14 HF → 2 H2[TaF7] + 5 H2O 						(1)
Nb2O5 + 10 HF → 2 H2[NbOF5] + 3 H2O 						(2)
Em proporção industrial a primeira separação foi desenvolvida utilizando-se a diferença de solubilidade entre o complexo nióbio e fluoretos de tântalo, oxipentafluoroniobato de potássico monohidrato (K2[NbOF5]·H2O) e heptafluorotantalato de potássio (K2[TaF7]) em água. Visto que em processos mais atuais é usado a extração líquida de fluoretos de solução aquosa por solventes como octanol, ácido bis(2-etilhexil) fosfórico, alamina 336, metil isobutil cetona, ciclohexanona. Os complexos fluoretos de nióbio e tântalo são extraídos separadamente do solvente orgânico com água e precipitado pela adição de fluoreto de potássio, produzindo um complexo de fluoreto de potássio, ou então realizando uma precipitação com amônia como o pentóxido, representado a seguir:
H2[NbOF5] + 2 KF → K2[NbOF5] ↓ +2 HF						(3)
Acompanhado por esta reação:
2 H2[NbOF5] + 10 NH4OH → Nb2O5↓ + 10 NH4F + 7 H2O				 (4)
Para ocorrer a redução ao nióbio metálico diversas técnicas podem ser usadas, como por exemplo, a eletrólise de um fundido misturada de K2[NbOF5] e cloreto de sódio ou também a redução do flúor com sódio. Com este método pode ser obtido nióbio com uma pureza relativamente elevada. Já em uma grande escala de fabricação, é feito a redução de Nb2O5 com hidrogênio ou carbono. No processo que envolve o reação alumino térmica uma mistura de óxido de ferro e óxido de nióbio reage com alumínio, formando:
3 Nb2O5 + Fe2O3 + 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al2O3				(5) 
A fim de melhorar a reação, são adicionadas pequenas quantidades de oxidantes como nitrato de sódio, resultando em um óxido de alumínio e ferronióbio, que contém entre 60% e 70% de nióbio na sua composição, uma liga de ferro e nióbio usada na produção de aço. Agora sem adição de óxido de ferro, o processo aluminotérmico é usado para a produção de nióbio. Para atingir o grau de ligas supercondutoras é preciso ocorrer uma purificação adicional.
4.2 PRINCIPAIS PROPRIEDADES
O tântalo trata-se de um metal que apresenta uma boa ductilidade, alto ponto de fusão, macio, cor prateada, grande resistência à corrosão em consequência da formação de uma película superficial de óxido, denominada de camada de passivação. Quanto ao seu estado de oxidação, o Ta pode possuir diversos estados quando combinado com outros materiais, sendo o +5 o mais encontrado. Ademais, existe uma variedade de aplicações para o Ta, sejam as suas ligas, óxidos ou o material na sua forma pura. Sendo responsável por isso, a sua propriedade de inércia química (baixa reatividade), elevado ponto de fusão, excelente ductilidade, boa condução de eletricidade e calor e uma alta capacitância. Sua estrutura cristalina é do tipo CCC (Cúbica de Corpo Centrado) e tem um módulo de elasticidade igual a185 GPa (gigapascal). O tântalo fica imune a ataques químicos quando colocado em temperaturas abaixo de 150°C, sofrendo apenas pelo ácido fluorídrico ou mediante fusão alcalina. O elevado ponto de fusão do tântalo (3017 °C) só é ultrapassado pelo do tungstênio (3,422°C). Na história de produção de filamentos para lâmpadas incandescentes, o Ta só foi substituído pelo tungstênio por conta do seu ponto de fusão ser maior. O minério desse metal mais importante economicamente é a tantalita, que consiste nas espécies que apresentam uma quantidade em massa de tântalo superior ao nióbio. Podendo ser composta de ferrotantalita, com composição de FeTa2O6 ou ainda manganotantalita (MnTa2O6). Analisando as propriedades descritas é possível determinar que o tântalo pode ser amplamente usado na fabricação de ligas metálicas, fornos de alta temperatura, capacitores para smartphones e outros dispositivos eletrônicos, além de próteses e outros equipamentos cirúrgicos. Seus compostos são utilizados em diversos setores da indústria, como o aeroespacial, o automobilístico, o de eletrônicos, entre outros (Novais, Stéfano Araújo. "Tântalo (Ta)"; Brasil Escola). Referente as propriedades mecânicas do Ta, observa-se que ele é superior ao nióbio e inferior ao molibdênio e tungstênio, figura 1.
Figura 1 –Propriedade mecânica do tântalo; fonte: google imagens
Já a sua resistência à fluência e o limite de escoamento em alta temperatura podem ser melhorados pela dispersão de segunda fase obtida pela adição de carbono.
4.3 APLICAÇÕES
Atualmente, uma das maiores aplicações do tântalo é na fabricação de componentes eletrônicos. O uso do metal em capacitores tem contribuído para a construção de circuitos eletrônicos cada vez menores. Esses capacitores de tântalo têm a grande vantagem de serem pequenos, proporcionando uma certa capacitância (grandeza que mede a quantidade de cargas que pode ser armazenada) em uma unidade volumétrica menor que capacitores comuns. No meio industrial, a maior demanda para o tântalo está na produção de smartphones e equipamentos eletrônicos, como computadores, notebooks, carregadores de bateria e televisores. Ademais, o Ta também é muito encontrado na indústria de armamentos, naval, aeroespacial e automotiva (ligas especiais, aparelhos de GPS e freios ABS). Como as ligas de tântalo apresentam uma boa resistência mecânica e à corrosão em ambientes agressivos, podem ser empregados em partes de motores a jato, reatores nucleares, trocadores de calor, fornos ávácuo e pelo fato de demonstrar uma alta inercia química, ou seja, ele possui biocompatibilidade, não sofre corrosão por fluidos corporais e não causa irritações no tecido vivo, tudo isso torna possível a sua utilização na produção de biomateriais, como por exemplo em parafusos para fixar ossos quebrados, pinos, fios e aplicações dentárias. Analisando algumas de suas ligas, tem-se que o carbeto de tântalo (TaC) é usado em ferramentas de corte e furadeiras. Já nas ligas deTa-Ni (tântalo-níquel), nos quais são muito resistentes à corrosão, são empregadas na indústria joalheira. 
4.4 DISPONIBILIDADE MUNDIAL DE TÂNTALO
O tântalo tem uma disponibilidade de recursos mundiais por volta de 193,3 mil toneladas, distribuídos nas Américas (Brasil, 40,1% e Canadá 2,6%), na Austrália (35,7 %), África (8,3 %),Ásia (8,3 %) e Oriente Médio (7,3%) (Rodrigues A.F.S., Economia Mineral do Brasil, Cidade Gráfica, 2009). Sendo o Brasil e a Austrália, nos dias atuais,os maiores fornecedoresmundiais de tântalo. Com relação ao Brasil, o país fabricamais de 18% do tântalo usado e a maior parte do metalminerado, cerca de 95%, é exportada, mais especificamente para a China, Estados Unidos, Hong Kong, Países Baixos e Estônia. O nosso país ainda importa produtos industrializados, principalmente capacitores, que são provenientesda África do Sul, Áustria e Federação Russa (DNPM, Departamento Nacional de Produção Mineral, 2008).
4.5 NOVAS TECNOLOGIAS
Uma liga metálica que tem em sua composição a combinação de tântalo, titânio, nióbio, zircônio e oxigênio, está provocando uma grande curiosidade para os engenheiros de materiais. Esta liga foi desenvolvida pela Toyota, no Japão, e está sendo chamada de “metal-goma”, pelo fato de possuir a capacidade de ser dobrada quase em ângulo reto e retornar a sua forma original. Curiosamente, esse fio de metal-goma pode ser esticado para até o dobro do tamanho original sem se romper, e a liga consegue permanecer com suas características originais quando posta a uma faixa de temperatura entre 200º C e -200º C. Entretanto, esse novo material é usado apenas na produção armações inquebráveis de óculos. De acordo com os pesquisadores, o comportamento dos átomos dessa liga ainda não foram analisados suficientemente para ser aplicado em outras áreas industriais.
5. CONCLUSÃO
A partir desse trabalho é possível apresentar como o elemento tântalo é encontrado na natureza, que é através do minério de tantalita e columbita, além de mostrar os seus processos de obtenção, características, propriedades e aplicações que são principalmente importantes nas áreas de tecnologia de ponta no comércio atual. Portanto, foi também demonstrado a disponibilidade que esse metal tem no âmbito mundial e quais países fazem as suasproduções e distribuições. Por fim, fica evidente que o Ta é de grande importância para o desenvolvimento de novas tecnologias, especialmente na área de eletrônicos.
6. REFERÊNCIAS
Ayanda, O. S.; Adekola, F. A., A Review of niobium-tantalum separation in hydrometallurgy, Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, 10, 245-256, 2011.
Balaj, T.; Govindaiah, R.; Sharma, M. K.; Purushotham, Y.; Arbind Kumar; Prakash, T. L., Sintering and electrical properties of tantalum anodes for capacitor applications,Materials Letters, 56, 560-563, 2002. Figura 1. Aplicações do tântalo.
NOVAIS, Stéfano Araújo. "Tântalo (Ta)"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/tantalo-ta.htm. Acesso em 20 de março de 2022.
Turner, L. W. Circuitos e Dispositivos eletrônicos, Copyright do ElectronicsEngineer’sReference Books, São Paulo, Brasil., Editora Hemus, 4ª ed, capítulo 8, 2005.
Ayanda O.S. and Adekola F.A. Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, 10 (2011), pp. 245-256
Rodrigues, A. F. S. Mineração de Rochas e Minerais Industriais (Capítulo 6; 6.6 - Tântalo). In: Rodrigues, A. F. S.; Ferraz, C. P. (Org.), Economia Mineral do Brasil . Brasília-DF: Cidade Gráfica e Editora Ltda., 01, 493-515, 2009.
Turner, L. W. Circuitos e Dispositivos eletrônicos, Copyright do ElectronicsEngineer’sReference Books, São Paulo, Brasil., Editora Hemus, 4ª ed, capítulo 8, 2005
Revista Pesquisa FAPESP, 2003 Disponível em: https://revistapesquisa.fapesp.br/uma-liga-metalica-muito-estranha/. Acesso em 20/03/2022.