Applications du niobium dans l'industrie électronique : condensateurs, niobates et supraconducteurs

Le niobium (Nb) est un métal réfractaire cubique centré-avec un point de fusion de 2469 C, une densité de 8,57 g/cm3 et une section efficace de capture de neutrons thermiques-d'environ 1,15 grange. Dans le matériel électronique, il apparaît dans trois rôles distincts : comme oxyde diélectrique dans les condensateurs électrolytiques solides, comme cation du site B- dans les monocristaux et les céramiques de niobate, et comme métal de base des fils et cavités supraconducteurs. Étant donné que chaque itinéraire tolère un contenu interstitiel différent, la chaîne d'approvisionnement se sépare en poudre de qualité condensateur -, matière première de cristal de qualité optique - et métal interstitiel à faible - pour une utilisation par radiofréquence supraconductrice (SRF).

Niobium dans les condensateurs et les oxydes diélectriques

Le pentoxyde de niobium, Nb2O5, a une permittivité relative globale d'environ 40, contre environ 27 pour le pentoxyde de tantale, de sorte qu'un diélectrique Nb2O5 offre plus de capacité par unité de volume d'anode. La poudre d'anode est produite par réduction aluminothermique ou magnésiothermique de Nb2O5, puis frittée et désoxydée pour contrôler la taille des particules et l'oxygène. Les anodes frittées sont anodisées pour faire croître le diélectrique et la contre-électrode est une couche de polymère conducteur ou de dioxyde de manganèse. Les variables de contrôle sont la surface spécifique exprimée en CV/g, la teneur en oxygène et en carbone et l'absence d'agglomérats durs qui provoquent une dégradation lors du test de durée de vie à 105 °C.

Céramiques niobates et dispositifs optoélectroniques

Le niobate de lithium, LiNbO3, est ferroélectrique avec une température de Curie proche de 1 210 C et un comportement optique piézoélectrique, électro-optique et non linéaire prononcé. Il est cultivé par la méthode Czochralski et découpé en substrats de filtres à ondes acoustiques de surface, en modulateurs électro-optiques pour les liaisons optiques et en cristaux à polarisation périodique pour la conversion de fréquence. Le niobate de potassium et les solutions solides de niobate de potassium de -sodium sont utilisés dans les actionneurs piézoélectriques sans plomb-. Le rapport Li/Nb et la stœchiométrie du site niobium-définissent la température de Curie et le seuil de dommage optique, c'est pourquoi la matière première de qualité cristal-est spécifiée à 99,99 % de Nb2O5 ou mieux.

Aimants supraconducteurs et cavités RF

Le fil Nb-Ti a une température de transition supraconductrice de 9,2 K, tandis que le composé A15 Nb3Sn atteint 18,3 K et est utilisé là où des champs supérieurs à environ 10 T sont requis, par exemple les aimants de résonance magnétique nucléaire à champ élevé-. Les billettes de niobium-titane dans la gamme Nb-47Ti sont couvertes par l'ASTM B884. Pour les cavités SRF, le niobium en vrac est fourni sous la désignation de qualité réacteur UNS R04210 ; le rapport de résistivité résiduelle est normalement spécifié à 250 ou plus, car un RRR plus élevé réduit la résistance de surface RF et la charge cryogénique.

Données sur les matériaux pour le-niobium de qualité électronique

Spécifications du produit et inspection à réception

ASTM B391 couvre les lingots de niobium, les barres, tiges et fils ASTM B392, les bandes, feuilles et plaques ASTM B393 et ​​les tubes ASTM B394. Les qualités utilisées dans ces spécifications sont désignées UNS R04200 et UNS R04210. Les acheteurs d'électronique et de supraconducteurs resserrent généralement les limites interstitielles au-delà des maxima de spécification, car l'oxygène et l'azote augmentent la résistance résiduelle et fragilisent les sections minces. Un bon de commande fonctionnel indique la forme du produit, la qualité, les plafonds interstitiels, l'objectif RRR ou CV/g, la granulométrie et la méthode d'essai, car aucun de ces éléments ne peut être déduit du seul nom de l'alliage.

Foire aux questions

Q:Pourquoi le niobium est-il utilisé dans les condensateurs au lieu du tantale ?
R : Le pentoxyde de niobium a une permittivité globale plus élevée et le niobium est plus largement disponible que le tantale, de sorte qu'une anode en Nb2O5 atteint une capacité comparable avec moins de volume d'anode et un coût de matière première - inférieur.

Q:De quelle pureté la poudre de niobium de qualité condensateur-a-t-elle besoin ?
R : La poudre est généralement commandée à 99,9 % de Nb minimum avec de l'oxygène et du carbone étroitement plafonnés, plus une plage CV/g définie, car l'oxygène laissé dans la poudre devient un courant de fuite dans l'anode finie.

Q:Quelle norme couvre les bandes et feuilles de niobium pour les pièces électroniques ?
R : ASTM B393 couvre les bandes, feuilles et plaques de niobium et d'alliage de niobium, avec les qualités désignées UNS R04200 et UNS R04210 ; la barre, la tige et le fil sont couverts séparément par ASTM B392.

Q:Pourquoi le niobium de la cavité SRF spécifie-t-il RRR ?
R : Le rapport de résistivité résiduelle mesure le peu de diffusion d’impuretés restant à température cryogénique ; un RRR élevé maintient la résistance de surface RF faible et réduit la puissance de réfrigération nécessaire pour maintenir la cavité à 2 K.

Q:Le Nb-Ti ou le Nb3Sn sont-ils préférés pour les aimants à champ élevé- ?
R : Nb-Ti est ductile, facile à étirer en fil à filament fin et suffisant pour environ 10 T ; Nb3Sn a une température de transition plus élevée et un champ critique supérieur, mais il est fragile et doit réagir après le bobinage.

Q:Quels défauts cristallins sont importants dans les plaquettes de niobate de lithium ?
R : Le rapport Li/Nb, le fer résiduel et les dommages de surface causés par le sciage et le polissage sont les variables qui modifient la température de Curie, augmentent l'absorption optique et dégradent le seuil de dommage optique.