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艾因斯新蟲 (小有名氣)
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[交流]
全鉭全密封液體鉭電解電容器
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介紹 液體鉭電解電容器電性能比較優(yōu)異，在所有電解電容器中，漏電流最小，單位體積的 CU 乘積（電容量和額定電壓的乘積）最大，比同體積的其它電容器的電容量大 5 倍以上，因此廣泛用于計算機、雷達(dá)、導(dǎo)彈、超音速飛機、自動控制裝置等電子線路中。但液體鉭電解電容器也因漏液、瞬時開路、電參數(shù)惡化與銀離子遷移而引起失效。 隨著電子電路功能提高和速度加快，對液體鉭電解電容器提出了更高的要求。在這種情況下為滿足軍事和航空航天領(lǐng)域中的需要，全鉭全密封液體鉭電解電容器就應(yīng)運而生，它不僅保持了液體鉭電解電容器的優(yōu)點，而且還克服了其缺點，具有性能穩(wěn)定、承受紋波電流能力強，可靠性高等優(yōu)點，被業(yè)界稱為“永不失效”的電容器。 結(jié)構(gòu)與性能特點 鉭引出陰極 全鉭液體鉭電解電容器結(jié)構(gòu)與普通銀外殼液體鉭電解電容器結(jié)構(gòu)基本相同（見圖 1），主要由燒結(jié)鉭芯及其表面的 Ta2O5 介質(zhì)氧化膜、電解質(zhì)和金屬外殼三部分構(gòu)成，所不同的是全鉭液體鉭電解電容器是用鉭外殼作為電容器的引出陰極，而普通液體鉭電解電容器是用銀外殼作為引出陰極。 液體鉭電解電容器結(jié)構(gòu) 當(dāng)前CA30型和CAK35型液體鉭電解電容器均采用高純度銀外殼作為電容器引出陰極，是電容器接入電路時的負(fù)極。但是當(dāng)這種電容器加上反向電壓或不對稱紋波電流時，銀質(zhì)外殼的鉭電解電容器會由于鉭-銀之間的電位差，產(chǎn)生“銀離子遷移”的問題。在鉭電解電容器上加反向電壓或在外電路所加紋波電流不對稱情況下，銀外殼在酸性溶液作用下溶解出的銀離子會逐步遷移，并沉淀在陽極介質(zhì)表面，在介質(zhì)膜層缺陷處形成導(dǎo)電通道，造成短路，引起漏電流劇增以至產(chǎn)品失效。為解決這個問題，美國于 1976 年研制了鉭外殼的全鉭全密封電解電容器，我國一些廠家目前也已研制了這類產(chǎn)品。全鉭液體鉭電解電容器能夠避免銀離子遷移，減小漏電流，提高了可靠性。 特殊的鉭陰極有效表面積增大工藝 制造大容量鉭電解電容器的關(guān)鍵是增大陰極的有效表面積。銀外殼液體鉭電解電容器，是通過與電解質(zhì)接觸的銀外殼來引出鉭電解電容器的陰極。液體鉭電解電容器在工作過程中，在電解質(zhì)溶液和銀陰極表面存在雙電層結(jié)構(gòu)，所以在引出陰極上存在陰極電容量，增加陰極電容量能增加電容器總的電容量。通常是采用化學(xué)或者電化學(xué)腐蝕，在銀外殼內(nèi)壁沉積上一層海綿狀的鉑黑、鈀黑之類的貴金屬，增大陰極的有效表面積，達(dá)到增加陰極電容量的目的。成膜用的鉑族元素最好用鈀，因為它可以產(chǎn)生最大的電容量，從而可提供高效的大容量電容器。 而對于全鉭全密封電解電容器，其陰極由鉭金屬制成，鉭在空氣中易被氧化，因此，用處理銀陰極的方法來增大鉭陰極的有效表面積是行不通的。鉭陰極表面處理工藝通常如下：首先用少量的氫氟酸溶液（或二價錫鹽、有機還原劑）處理鉭陰極表面，除去陰極表面己形成的氧化物，提高其表面附著力，以便在其表面形成牢固的鉑族金屬膜，然后用化學(xué)沉積方法，在已除去氧化膜的鉭陰極表面沉積第一層不連續(xù)的呈島狀結(jié)構(gòu)的鉑族金屬膜。此后在惰性氣體或真空環(huán)境中，對沉積的第一層金屬膜進(jìn)行熱處理，使鉑族金屬與鉭金屬形成一層合金，以阻止鉭金屬在空氣中被氧化。最后在第一層合金膜上用電鍍或其它方法繼續(xù)沉積第二層多孔狀鉑族金屬膜，這層膜與第一層膜可以不是同一種金屬。 全密封結(jié)構(gòu) 液鉭電解電容器盡管具有容量大等優(yōu)點，但對于半密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，在工作過程中，曾因漏液失效而限制了其使用。漏液失效是在熱應(yīng)力、電應(yīng)力條件下電容器內(nèi)部氣體壓力增大到一定值后，密封較差的電容器氣體夾雜著部分工作電解液從縫隙中漏出的一種失效現(xiàn)象，其原因是電容器密封不好造成的。在漏液問題沒得到很好解決之前，過去某個時期曾規(guī)定，衛(wèi)星上的電子設(shè)備不用液體鉭電解電容器。這是因為液體鉭電解電容器中有酸性液體，可以導(dǎo)電和有腐蝕性，在天上高真空和失重條件下會泄漏，一旦流到印制板上將使線路短路，使衛(wèi)星出現(xiàn)嚴(yán)重故障，從而造成巨大的經(jīng)濟損失和不良的影響。 液體鉭電解電容器的密封結(jié)構(gòu)可以分為半密封液體鉭電解電容器（CA30）和全密封液體鉭電解電容器（CAK35），如圖2 (a)、(b)所示。 液體鉭電解電容器密封結(jié)構(gòu)圖 現(xiàn)在，液體鉭電解電容器采用全密封結(jié)構(gòu)，解決了漏液問題。經(jīng)高真空條件下的冷浸和熱浸試驗，很少發(fā)現(xiàn)漏液現(xiàn)象。對于全密封結(jié)構(gòu)鉭電解電容器，是將陽極鉭塊上的鉭絲穿過套有橡皮環(huán)的聚四氟乙烯上墊片，然后把鉭芯用聚四氟乙烯下墊片固定，裝配到注有凝膠電解質(zhì)的銀外殼之中。 較強耐振動沖擊性能 液體鉭電解電容器產(chǎn)生瞬時開路失效的原因在于：電容器殼內(nèi)的液體不能將鉭塊固定，另一端的鉭絲被絕緣子固定住，鉭塊與鉭絲成為一個懸臂，因此振動時，離心力使電解液在電容器殼內(nèi)作相應(yīng)運動，當(dāng)鉭塊短或電解液數(shù)量不足時，離心力可能使鉭塊與工作電解液瞬時脫離，造成電容器開路。因此鉭塊長度設(shè)計適當(dāng)，保持充足的工作電解液，或改用凝膠工作電解質(zhì)，都可減少瞬時開路的可能性。為防止鉭塊振動，目前設(shè)計了防振墊圈固定住鉭塊，有效克服了瞬時開路。全密封鉭電解電容器在密封性能、抗沖擊振動性能和長期使用可靠性等方面都要優(yōu)于半密封液體鉭電解電容器。 電參數(shù)性能保持 液體鉭電解電容器在長期使用時，常出現(xiàn)電容量急劇下降和損耗角正切值顯著增大的失效現(xiàn)象。這是一種漸變失效，是因電容器中工作電解液不斷消耗而引起。當(dāng)密封性能不佳時，在貯存條件下電解液中的水分通過密封橡膠墊向外擴散，在工作條件下水分產(chǎn)生電化學(xué)離解，均可使水分逐漸減少，電解液逐漸變稠，黏度逐漸增大，電解液等效串聯(lián)電阻增加，與陽極氧化膜的接觸性能變差，從而使電容量下降，損耗增大。 此外，工作電解質(zhì)的性能對保持液體鉭電解電容器的電參數(shù)性能具有重要的影響。工作電解質(zhì)是鉭電解電容器的實際陰極，它與陽極基體表面的 Ta2O5介質(zhì)氧化膜以及銀或鉭外殼內(nèi)壁充分接觸，在電容器工作過程中引出電容量，并且它能夠在電容器老練和使用過程中，對存在缺陷的陽極氧化膜進(jìn)行修補。經(jīng)形成工藝形成的介質(zhì)氧化膜是耐電場強度很高的絕緣物質(zhì)，但它不是完美無缺的，其表面上存在著各種極其微小的疵點、空洞等缺陷，所以電容器必須經(jīng)過老練進(jìn)行介質(zhì)膜層的修補。在老練過程中，缺陷處電流密度較大，剛開始時漏電流較大，但在電化學(xué)作用下，工作電解質(zhì)與鉭金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成 Ta2O5，修補了缺陷，使得介質(zhì)膜層更為連續(xù)，厚度更為均勻，漏電流隨老練時間的延長而逐漸降低。同樣，在電容器工作過程中，當(dāng)電容器兩端加上電壓后，具有強氧化能力的工作電解質(zhì)將會時刻對損傷的介質(zhì)膜進(jìn)行修補。由此可見，工作電解質(zhì)的性能將直接影響鉭電解電容器的可靠性以及容量、損耗、漏電流和 Res等電性能。 結(jié)語 全鉭全密封液體鉭電解電容器克服了漏液、瞬時開路、電參數(shù)惡化與銀離子遷移等原因而引起的失效，因此具有性能穩(wěn)定、承受紋波電流能力強、可靠性高等優(yōu)點，被業(yè)界稱為“永不失效”的電容器，是各國航空航天等高可靠電子設(shè)備的首選配套產(chǎn)品，同時也代表著我國鉭電解電容器產(chǎn)品的最高水平。 |
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