揭秘！从芯片到骨骼，球形钽粉成“跨界王者”

随着电子信息产业的发展，作为核心材料之一的金属类溅射靶材的市场需求旺盛。其中，高纯度溅射靶材主要用在对材料纯度和稳定性要求更高的领域，如集成电路、信息储存、液晶显示屏、激光储存器、电子控制器件等。在材料选择中，金属钽以高导电性、高热稳定性及优异的耐腐蚀性能而广受关注，是集成电路中铜与硅基板的阻隔层溅射靶材的首选材料。

随着AI生态的不断拓宽有望拉动芯片需求，从而带动钽靶材需求增长。据业内人士透露，在半导体用靶材市场上，钽靶材制备技术难度非常高，需要严格控制钽靶的晶粒尺寸和织构取向，保证晶粒均匀分布。我国生产溅射钽靶材用的高纯钽原料主要依赖进口，在高纯度钽靶材的制备技术，尤其是组织均匀性控制及取向分布等方面与国外存在差距，导致溅射薄膜均匀性不稳定。

作为喷涂靶材的原料，钽粉的球形度直接影响喷涂的效果和涂层的品质，因此制备高球形度的钽粉非常重要。在钽粉球化制备方面，国内外一些研究机构开展了相关研究。其中具有代表性的是采用感应等离子球化技术对粉末进行球化整形，以提升粉末球形度。

感应等离子具有温度高、能量密度高、加热强度大、等离子体炬的体积大、处理材料工艺简单、基本无污染、传热和冷却速度快等优点，被认为是制备组分均匀、球形度高、流动性好的球形粉末的较佳方法。对于高熔点的钽元素，利用高热焓的等离子体加热和充分熔化粉末，可以在极短的时间内整形获得球形钽粉，因此较其他工艺具有较大的技术优势。

除了半导体芯片领域的需求之外，在生物医疗领域，金属钽的研究和应用更加受到关注。

1802年瑞典化学家安德斯·埃克伯格(Anders Ekeberg)首次从矿物中提取了73号元素——钽(tantalum)，其命名就源于其在酸中极佳的耐腐蚀性。钽具有比钛更优异的耐腐蚀性，只受强酸强碱环境影响，在人体内保持相对惰性，从而可避免干扰生物组织。通过在模拟体液中形成类似骨骼的磷灰石层，钽被证明具有生物活性并可与骨骼发生生物结合。

此外，纯钽及其主要氧化物均具有低的溶解度和毒性，自1940年以来就一直在临床上使用，并广泛应用于诊断和植入物，总体效果显著。在骨科、颅面和牙科相关研究中显示出优秀的生物相容性和安全性，使用致密钽金属植入物骨整合术已被证明应用时间长达8~12年。

在过去二十多年中，多孔钽植入物冠以骨小梁金属TM(美国捷迈公司的Trabecular MetalTM)广泛应用于人体髋关节、膝关节及脊柱等全身部位。多孔钽的特性类似松质骨，与骨组织匹配的弹性模量、足够的机械支撑、较长的疲劳寿命、优异的耐腐蚀性和骨整合性能力保证了其在骨科和牙科等领域的应用前景。随着增材制造技术的发展，增材制造多孔钽凭借个性化优势已在髋、膝等多个部位实现临床应用。

3D打印多孔钽髋臼杯（图源：东方钽业）

目前，主流的多孔钽增材制造工艺为粉末床熔融，其原材料为15~150μm粒径范围的医用球形钽粉。随着增材制造装备的成熟以及个性化多孔钽植入物需求的增加，从2015年开始，各国科研机构及粉末制造企业先后进行了球形钽粉工艺的开发，在钽粉球形度、流动性、松装密度、振实密度和空心粉率等方面得到了很好的控制，目前其主要制备技术为等离子球化(PS)和等离子旋转电极雾化(PREP)。

加拿大Tekna研制的射频等离子体球化设备已实现对钽铌等难熔金属的球化处理，其设备在全球射频等离子体球化方面领先，在球化过程中冷却室内部空间大，且需要通入高纯度惰性气体，导致制粉成本昂贵。

PREP技术方面，国内和国外还存在一定差距，设备稳定长期运行能力较差，高端设备大多依靠进口。因为等离子旋转电极雾化技术使用加工成本较低的熔炼棒材作为原材料，所以其制备的粉末综合成本较低，但该技术制备粒径在45μm以下的球形钽粉时细粉收得率较低，因此进一步提高粉末细粉收得率是该技术的主要发展方向。

除了PS和PREP技术，另外一种制粉方法——等离子丝材雾化法（PA）也有被提及。AP&C公司等离子丝材雾化技术采用金属丝为原材料，与传统的雾化过程相比具有很多优点，金属丝受高温等离子炬熔融的过程中，不会与等离子炬喷嘴产生接触，保证粉末纯度的同时，也能减少传统雾化过程中加热陶瓷坩埚的成本，相对于其他制粉技术具有一定技术竞争优势，但是高性能球形钽粉的价格相对还是较高，且相关技术采取严格的保密手段，很少有关于此项技术的设备和产品粉末的性能报道。

参考来源：
[1]庞小肖等：感应等离子制备喷涂靶材用球化钽粉工艺研究，矿冶科技集团有限公司
[2]林惠娴，等：生物医用增材制造多孔钽的研究进展，广州赛隆增材制造有限责任公司
[3]王新宇：等离子丝材雾化球形钽粉仿真研究，河北科技大学
[4]证券时报：攻克高纯钽靶坯关键技术东方钽业首发产品加速国产替代

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