团化工艺对钽粉性能影响的研究

赵春霞，赵勇刚，王小明，王晓明，郑 鹏

（宁夏东方钽业股份有限公司，宁夏 石嘴山 753000）

金属钽粉的主要用途是制造钽电解电容器，其质量的优劣直接影响到电解电容器的性能。目前，钽电解电容器正在不断地向微型化和高可靠性方面发展。相应地就要求提高钽粉的容量以缩小电容器的体积，提高钽粉的耐压性以提高电容器的可靠性。理论上来说，钽粉的粒形越复杂，颗粒越细，比表面积越大，比容越高，但微细颗粒的钽粉流动性较差，制作电容器时成型困难，影响烧结后钽阳极的孔隙结构、有效比表面积和被膜的质量，使电容器容量降低，漏电流及损耗增大，可靠性降低［1～5］。对采用团化工艺和未进行团化工艺处理的钽粉进行分析比较，重点分析其物理性能、化学成分及电气性能存在的差异。

1 研究内容

1.1 试验方案

1.取氟钽酸钾钠还原生产中的原始钽粉两份，分别编号为样品A和样品B，其物理性能和化学成分见表1。

表1 原始钽粉的物理性能和化学成分

2.将样品A进行团化预处理，样品B不进行团化处理，掺入相同比例的掺杂剂，按照相同的热处理、降氧、酸洗、烘干、过筛条件进行后续处理。

3.对经后续处理得到的样品A和样品B产品进行物理性能、化学成分及电气性能分析，以确定其性能差异。

1.2 分析检测

利用JSM-5610LV型扫描电镜、WLP-202平均粒径测定仪、霍尔流速计、试验筛机DZS-200（直径为300 mm标准筛）、全自动氮吸附比表面仪3H-2000A、激光粒度分布仪对样品A、样品B进行了物理性能对比分析。

按照GB／T 15076标准，红外吸收法分析O、C、H；采用直流电弧直读光谱仪，分析Fe、Ni、Cr等金属杂质；原子吸收法分析K、Na；按照GB／T 3137标准进行电性能测试。

2 结果与讨论

经测试，样品A、样品B物理性能对比见表2，粒度分布对比如图1所示，扫描电镜对比如图2所示，由表2、图1、图2可知：经团化处理的样品A，其松装密度大、流动性好，细粉含量较少，有较大的孔隙和较窄的粒度分布，颗粒均匀性好，微细颗粒少，这样的钽粉在电容器制作过程中，阳极块开孔率高，孔隙大，有利于阳极块在赋能过程中电解液的渗透和氧化膜的生成，有利于提高容量，降低漏电流及损耗。

表2 样品A、样品B的物理性能对比

图1 样品A、样品B粒度分布对比

样品A、样品B的化学成分见表3，由表3可知：经团化处理的样品A，其氧含量明显降低，其它化学成分和未经团化处理的样品B基本保持一致。实践证明，钽粉中的氧含量是引起钽丝发脆的重要因素，氧含量过高时，烧结时剩余的氧向引线扩散，致使引线晶粒变大而发脆。经团化处理的样品A，具有较低的氧含量，在阳极块烧结过程中，可以有效缓解丝脆现象。

图2 样品A、样品B扫描电镜对比

表3 样品A、样品B的化学成分 μg／g

对样品A和样品B分别按照阳极块单支重量0.15 g、压制密度5.0 g／cm3、阳极块直径3.0 mm的尺寸设计阳极进行压制成型，然后将压制成型的压制块放进高温真空炉，按照1 400℃的设定目标温度进行烧结，保温时间设定为20 min。烧结完毕，采用浓度为0.01%的磷酸水溶液作为赋能液，赋能温度为90℃，赋能电压为50 V，赋能电流密度为70 mA，赋能时间为120 min进行赋能。赋能过程中，需要仔细观察液面，及时补充液体，避免阳极块暴露在液面之上。赋能完毕，先用去离子水将赋能块煮洗4～5次，然后将阳极块逐支浸入0.01%磷酸水溶液中，测试温度为25±2℃，充电时间为2 min，进行漏电流的测试。漏电流测试完毕，将阳极块从磷酸溶液中取出，用去离子水冲洗5～10 min，放入真空烘干箱烘干。待阳极块烘干后，再进行容量的测试。容量测试液为38%的硫酸溶液，测试电压为赋能电压的70%，偏压为1.5 V，频率为120 Hz，测试结果列于表4。

对样品A和样品B分别按照阳极块单支重量0.144 g、压制密度5.0 g／cm3、阳极块直径3.0 mm的尺寸进行压制成型，按照1 400℃／30 min的烧结条件进行烧结，按照0.1%磷酸赋能液、赋能温度80℃、赋能电压30 V和70 V、赋能电流密度105 mA、赋能时间120 min进行赋能。赋能完毕，用10%磷酸溶液进行漏电流的测试，用38%硫酸溶液进行容量的测试，测试结果列于表5。

表4 钽粉的电气性能（测试1）

表5 钽粉的电气性能（测试2）

由表4、表5可知：与未进行团化工艺预处理的样品B相比，经团化处理的样品A，其漏电流、收缩率偏低、容量偏高。这是因为未经团化处理的样品B，松装密度小、流动性差、微细粉含量多，导致阳极块烧结后体积收缩率大，减小了钽阳极的有效比表面积，不利于阳极块在赋能过程中电解液的渗透和氧化膜的生成，使电容器容量降低，漏电流增大。

3 结 论

综上所述，采用团化处理的钽粉，具有氧含量低、松装密度适中、流动性好、粒度分布集中、颗粒均匀性好、漏电流小、收缩率低、容量高的特点。实践证明，要满足电容器的制造要求，除了要保证钽粉有足够的纯度，较大的比表面积外，适宜的松装密度、粒度分布、流动性是保证钽粉性能的主要参数，这些综合参数是提高压制块成型性、降低烧结块收缩率、提高电容器容量的必要保证，可满足微型化、高压高可靠电容器的设计使用要求。但随着团化强度的增加，钽粉颗粒强度增强，抗烧结能力会随之增加，需要提高热处理温度对团化钽粉进行烧结，可能会导致颗粒烧结过度，出现局部熔融或死孔，引起钽粉容量的降低。因此颗粒强度大的钽粉，在阳极块制作过程中，需要相应地提高烧结温度以保证烧结的充分性。而如果烧结温度过高，钽阳极块的孔隙率将变小，孔径变窄，从而使电解质的等效串联电阻增大，损耗增大。在钽粉生产过程中，需要根据不同客户需求，适当调整团化强度及匹配的工艺处理条件，来控制钽粉的纯度及物理性能，提高钽粉质量，以满足电容器设计生产需要。